Сварочный электрод

 

Использование: сварка и наплавка изделий большого сечения из высокопрочных сталей, подвергаемых последующей термической обработке и обеспечивающих получение металла шва (наплавленного металла) хорошего качества со свойствами , близкими к свойствам высокопрочных сталей типа 26Х, НЗМФА, 35ХНЗМФА. В стержень электрода, состоящий из малоуглеродистой стали, дополнительно введены никель и молибден, а в качестве раскислителя введены кремний и марганец при следующем соотношении компонентов в стержне , мас.%: углерод 0,08-0,12, марганец и кремний в сумме 0,5-1,0, никель 1,0-1,5. молибден 0,40-0,55, железо остальное. Электродное покрытие имеет следующее соотношение компонентов, мае. %: плавиковый шпат 22-28, рутил 7-9, ферротитан 4-6, ферросилиций 6-9, ферромолибден 0,2-1,0, феррованадий 0,3-0,9, хром 3,5-5,8, никель 2,0-3,8, марганец 1,2-2,5, графит 0,4-0,6, железный порошок 10-13, поташ 0,5-1,5, мрамор остальное. Отношение суммарного содержания графита в покрытии и углерода в стержне к суммарному содержанию никеля в покрытии и стержне составляет 1 :(6-8). Коэффициент массы покрытия 40-60%. Повышение сварочно-технологических свойств электрода достигается за счет введения в покрытие ферросилиция и железного порошка в виде гранулированных ферросплавов марки ФС15ГС и ПЖР, причем ферротитан и рутил в покрытии взяты в соотношении 1 :(1,5-1,75). 1 з.п.ф-лы, 5 табл. § сл $

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧ ЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я) s В 23 К 35/365

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОбРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ,() Q

I (21) 4875114/08 (22) 18.10.90 (46) 30.09.92, Бюл. ¹ 36 (71) Научно-производственное объединение по технологии машиностроения (72) А,Б.Геллер, Л.А.Черных и M.Á,Ðîùèí (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1666285, кл. В 23 К 35/365, 1989.

Патент CLUA № 3453142, кл. 117-205, 1966.

Авторское свидетельство СССР

¹ 603543, кл. В 23 К 35/365, 1976. (54) СВАРОЧНЫЙ ЭЛЕКТРОД (57) Использование: сварка и наплавка изделий большого сечения из высокопрочных сталей, подвергаемых последующей термической обработке и обеспечивающих получение металла шва (наплавленного металла) хорошего качества со свойствами, близкими к свойствам высокопрочных сталей типа 26Х, НЗМФА, 35ХНЗМФА. В стержень электрода, состоящий из малоуглеродистой стали, дополнительно введены никель и молибден, а в качестве раскислитеИзобретение относится к сварочным материалам, в частности к сварочным электродам для сварки и наплавки иэделий большого сечения (до 2 м) из высокопрочных сталей, подвергаемых последующей термической обработке и обеспечивающих получение металла шва (наплавленного металла) с хорошими механическими свойствами, близкими к свойствам высокопрочных сталей типа 35ХНЗМФА., „,5U 1764914 А1 ля введены кремний и марганец при следующем соотношении компонентов в стержне, мас,%: углерод 0,08 — 0,12, марганец и кремний в сумме 0,5 — 1,0, никель 1,0 — 1,5, молибден 0,40 — 0,55, железо остальное.

Электродное покрытие имеет следующее соотношение компонентов, мас. Д: плавиковый шпат 22 — 28, рутил 7-9, ферротитан 4 — 6, ферросилиций 6 — 9, ферромолибден 0,2 — 1,0, феррованадий 0,3-0,9, хром 3,5-5,8, никель

2,0 — 3,8, марганец 1,2 — 2,5, графит 0,4 — 0,6, железный порошок 10 — 13, поташ 0,5 — 1,5, мрамор остальное. Отношение суммарного содержания графита в покрытии и углерода в стержне к суммарному содержанию никеля в покрытии и стержне составляет 1:(6-8).

Коэффициент массы покрытия 40 — 60%. Повышение сварочно-технологических свойств электрода достигается за счет введения в покрытие ферросилиция и железного порошка в виде гранулированных ферросплавов марки ФС15ГС и ПЖР, причем ферротитан и рутил в покрытии взяты в соотношении 1:(1,5 — 1,75). 1 з,п,ф-лы, 5 табл.

При создании таких сварочных материалов должны быть обеспечены высокая технологическая прочность металла шва - ь (наплавленного металла) и удовлетворительные сварочно-технологические свойства электродов, позволяющие вести сварку (наплавку) во всех пространственных положениях.

Известен электрод, предназначенный для ручной дуговой сварки низколегирован1764914

15

25

0 — 12

55 ной стали перлитного класса в различных отраслях машиностроения и состоящий из стержня из перлитной стали, содержащей кремний, и покрытия, содержащего компоненты в следующем соотношении, мас. :

Плавиковый шпат 20-24

Песок кварцевый 4 — 8

Ферротитан 7-11

Рутил 2 — 6

Ферросилиций 3 — 5

Графит 0,5-1,0

Поташ 0,5-1,5

Феррованадий 0,25 — 1,00

Мрамор Остальное

К недостаткам известного электрода относятся низкий уровень прочностных характеристик металла шва после высокотемпературной обработки, низкая трещиностойкость и неудовлетворительные сварочно-технологические свойства электрода при сварке, например в потолочном положении, а также. склонность к порообразованию.

Известен сварочный электрод, покрытие которого содержит, мас. :

Железо 0 — 35

Кремний 1 — 3

Марганец, 4 — 9

Хром 1,5 — 4,0

Молибден 0,8-2,0

Никель 3,5-7,0

Медь 0 — 2

Ванадий 0 — 0,1

Титан 0 — 1,5

Двуокись титана 0-10

Силикат натрия или калия 5-12

Нерастворимые силикаты, например песок кварцевый, кианит

Компоненты, содержащие калий, например титанат карбонат калия, полевой шпат 0 — 8

Компоненты, содержащие кальций, например СаСОз, САРг 30-60

Органика, например гидроксиэтил целлюлоза 0-2

Сера 0,02

Фосфор 0,02 и наносится на стержень из низкоуглеродистой стали.

Указанный электрод обеспечивает предел текучести металла шва в исходном после сварки состоянии 90-105 кг/мм

2 (880 — 1030 МПа).

Недостатком указанного электрода является малая устойчивость аустенита в металле шва при охлаждении с температур выше Асз из-за отсутствия необходимого (не менее 0,14 мас.%) количества углерода и соотношения между последним и никелем.

Кроме того, повышенное содержание в металле шва марганца (> 0,6 мас. ) приводит к снижению пластических характеристик металла шва — ударной вязкости и относительного удлинения. Наличие в составе покрытия сварочного электрода таких гидрофильных компонентов, как титанат калия или полевой шпат, органика в виде гидроксиэтилцеллюлозы, приводит к повышению содержания влаги в покрытии, что влечет за собой увеличение количества растворенного в металле шва водорода, следствием чего является наличие флокенов, недопустимых с точки зрения длительной прочности дефектов в металле шва. Прототипом является электрод по авт, св. Q 603543, наиболее близкий по составу и предназначенный для сварки высокопрочных сталей.

Цель изобретения — повышение трещиностойкости наплавленного металла и улучшение сварочно-технологических свойств электрода, Мрамор, введенный в состав электродного покрытия в предложенных пределах, обеспечивает необходимое для защиты рас-. плавленной сварочной ванны от атмосферы воздуха количество газовой смеси COz+ СО, образующейся при диссоциации мрамора.

Кроме того, оксид кальция, остающийся как продукт диссоциации мрамора в шлаковой фазе, образует в совокупности с другими шлакообразующими компонентами легкоотделимую шлаковую корку. Уменьшение содержания мрамора ниже заявляемого предела приводит к ухудшению газовой защиты сварочной ванны и, как следствие, к повышению содержания азота в металле шва, что снижает значение ударной вязкости, Повышение содержания мрамора свыше заявляемого предела ухудшает сварочно-технологические свойства электродов, в частности приводит к образованию таких дефектов сварного шва, как зашлаковки.

Введенный в заявляемых пределах плавиковой шпат наряду с мрамором обеспечивает необходимую шлаковую защиту, что способствует удовлетворительному формированию валика сварного шва во всех пространственных положениях, Снижение содержания плавикового шпата в предложенном покрытии ухудшает формирование валика сварного шва. Превышение этого уровня приводит к ухудшению сварочно1764914 технологических свойств электродов при сварке в вертикальном и потолочном положениях вследствие того, что шлак не полностью покрывает наплавленный валик, Ферротитан и ферросилиций введены в покрытие в качестве раскислителей наплавленного металла. Указанные компоненты снижают содержание кислорода в наплавленном металле, что приводит к повышению ударной вязкости. Снижение количества вводимых раскислителей ниже указанных пределов приводит к повышению содержания растворенного в металле кислорода и, следовательно, к снижению ударной вязкости, Увеличение количества вводимых раскислителей выше указанных пределов приводит к увеличению содержания экзогенных включений на их основе, что снижает механические характеристики металла шва (наплавленного металла), Рутил введен в состав покрытия в заданных пределах и в заданном соотношении с ферротитаном с целью повышения сварочно-технологических свойств электрода, в частности регулирования жидкотекучести шлака при сварке и формирования валиков наплавленного металла при сварке в разных пространственных положениях.

При превышении содержания рутила в электродном покрытии выше заданных пределов или отношения FeTi: Ti0z > 1: 1,75 образующийся шлак вследствие своей жидкотекучести не позволяет вести сварку в потолочном положении или на вертикальной плоскости; в процессе наложения валика шлаковая корка не удерживает расплавленный металл и не происходит удовлетворительного формирования валика. При снижении содержания рутила ниже заявленного предела (< 7 мас. %) или при уменьшении отношения FeTi: TiOz < 1: 1,50 на поверхности наплавляемых валиков образуется так называемая "березовая кора" — вид поверхности валика, который, как известно, приводит к загрязнению металла шва (наплавленного металла) частицами шлака.

Введение в состав покрытия электрода гранулированных методом распыления ферросилиция и железного порошка преследует две цели: повышение сварочно-технологических свойств электродов и улучшение реологических свойств обмазочной массы покрытия при механизированном способе изготовления сварочных электродов. Применение указанных компонентов в заявленных пределах способствует стабилизации процесса истечения массы при опресаавке за счет их округлой формы, что обеспечивает отсутствие эксцентриситета покрытия относительно стержня и

55 гладкую поверхность покрытия. С точки зрения повышения сварочно-технологических свойств применение в качестве компонентов гранулированных ферросилиция и железного порошка благоприятно сказывается на стабильности горения дуги, периоде коротких замыканий, повышении коэффициента наплавки, Кроме того, отсутствие эксцентриситета покрытия относительно стержня способствует облегчению манипуляции электродом при сварке в различных пространственных положениях вследствие отсутствия "козырьков", Железный порошок в заявленных пределах регулирует содержание легирующих элементов в металле шва и способствует повышению по сравнению с прототипом и аналогом коэффициента наплавки, Никель, введенный в стержень в указанных пределах, в сочетании с более высоким по сравнению с прототипом и аналогом содержанием хрома обеспечивает глубокую прокаливаемость на бейнит металла при закалке крупногабаритных изделий сечением до 2 м йз высокопрочных сталей, Введение молибдена в стержень элект-. рода в указанных пределах обеспечивает подавление отпускной хрупкости наплавленного металла при сварке (наплавке) изделий большого сечения, требующих по существующим технологиям их сварки медленного охлаждения.

Содержание марганца в покрытии электрода в указанных пределах обеспечивает повышение стойкости наплавленного металла к образованию горячих трещин за счет связывания серы в термодинамически устойчивые и тугоплавкие сульфиды марганца, которые частично отшлаковываются s процессе сварки (наплавки)., а частично остаются в наплавленном металле в виде компактных включений, что предотвращает протекание ликвационных процессов, являющихся источником образования горячих трещин. Уменьшение количества марганца, вводимого в состав покрытия, приводит к появлению легкоплавких ликвирующих примесей, в частности эвтектики, что приводит к снижению технологической прочности, Увеличение содержания марганца сверх заявленных пределов приводит к снижению пластических характеристик металла шва (наплавленного металла), в частности к снижению относительного удлинения и ударной вязкости, Увеличение по сравнению с прототипом и аналогом содержания углерода и никеля в наплавленнцм металле за ачат введения графита и никеля в заявляемых пределах в покрытие и за счет обеспечения содержания

1764914

55 углерода и никеля в стержне в заявляемых предеЛах и соотношении позволяет повысить устойчивость аустенита при охлаждении с температур выше Асз,, что приводит к повышению гарантированного предела прочности до >720 МПа и ударной вязкости до > 150 МДж/м после высокотемпературной обработки. Кроме того, обеспечение указанного содержания в наплавленном металле углерода и никеля способствует повышению трещиностойкости. Склонность к образованию трещин количественно определяли пробой ЦНИИТМАШ. B свою очередь. содержание углерода и никеля в заданных пределах в наплавленном металле может быть обеспечено только при условии соблюдения соотношения между количеством графита в покрытии и углерода в стержне и никеля в покрытии и стержне электрода. Уменьшение содержания графита. в покрытии или углерода в стержне и никеля в покрытии.или стержне ниже заявленных пределов приводит к уменьшению устойчивости аустенита, что способствует значительному охрупчиванию металла шва (наплавленного металла), Увеличение содержания графита в покрытии или углерода в стержнЕ и никеля в стержне или в покрытии приводит к облегчению диффузии углерода в теле зерна и скоплению образующихся в процессе высокотемпературной обработки карбидов к границам зерен, что повышает склонность к трещинообразованию.

Феррованадий в заданных пределах обуславливает в сочетании с углеродом и никелем стабильность прочностных свойств металла шва, образуя наряду с хромом устойчивые карбиды, что препятствует диффузии углерода к границам зерен при высокотемпературной обработке, Превышение верхнего предела содержания феррованадия приводит к охрупчиванию металла шва. Снижение ниже заданного предела содержания в покрытии электрода феррованадия облегчает процесс диффузии углерода к границам зерен, что

" снйжает прочностные характеристики металла шва.

В табл.1 приведен состав стержней электродов, в табл,2 — состав электродных покрытий, в табл.3 — соотношение между суммарным содержанием графита в покрытии и углерода в стержне и никеля в покрытии и стержне для различных вариантов электродов, в табл.4 — механические свойства металла шва, выполненного различными вариантами электродов. Трещиностойкость металла шва определялась пробой ЦНИИТMALLI: за критерий трещиностойкости принимали количество валиков сварного шва (шт.), необходимых для образования трещины (см. табл.4).

Химический состав проволоки (табл.1)

А, Б, В соответствует нижнему пределу, среднему значению и верхнему пределу содержания элементов в стержне соответственно, варианты Г и Д вЂ” запредельным составам стержней.

Состав покрытия (табл.2) 1 — 3 соответствует предельным значениям, 4 и 5 — запредельным составам покрытия при заявляемых соотношениях между ферротитаном и рутилом, а также графитом, в покрытии и углеродом в стержне и никеля в покрытии и стержне, 6 и 7 — составам покрытия с запредельными соотношениями между ферротитаном и рутилом, 8 и 9 — составам покрытий, позволяющим получить запредельные соотношения между графитом в покрытии и углеродом в стержне и никелем в покрытии и стержне.

В табл.5 представлены сварочно-технологические свойства различных вариантов электродов, которые определяли с помощью экспертных оценок.

Электроды 6 и 7 с покрытием, в котором соотношение между ферротитаном и рутилом находится вне заявленных пределов, обеспечивают удовлетворительную трещиностойкость, но не гарантируют сварочнотехнологических свойств, особенно при сварке в пространственных положениях.

В вариантах Б8 и Б9 соотношение между суммарным содержанием графита в покрытии и углерода в стержне и никеля в покрытии и стержне взято вне заявленных пределов, Из табл.4 видно, что при таких составах снижается трещиностойкость по сравнению с заявленным составом.

Формула изобретения

1, Сварочный электрод для сварки и наплавки углеродистых низколегированных высокопрочных сталей, состоящий из малоуглеродистого стального стержня, содержащего железо, углерод, раскислители, и покрытия, содержащего мрамор, плавиковый шпат, рутил, ферротитан, ферросилиций, ферромолибден, феррованадий, марганец, хром, никель, графит, пластификатор, отличающийся тем, что, с целью повышения трещиностойкости наплавленного металла, стержень электрода дополнительно содержит никель и молибден, а покрытие дополнительно содержит железный порошок и в качестве пластификаторапоташ при следующем соотношении компонентов стержня, мас.7:

1764914

Содержание, мас.6

Вариант

1 никель молибден углерод кремний+ сера фосфор железо марганец

0,52 0,009

0,78 0,008

0,98 0,008

0,42 0,009

1,15 0,009

К

Б

В

Г

Остальное

То же

0,007

0,008

0,010

0,012

0,014

1,05 0,41 0,082

1,38 0,48 0,093

1,48 0,55 0,116

0,91 0,35 0,065

1,62 0,62 0,131

l f»

I1 н

Таблица 2

Содержание, мас,Ж, в варианте

Компонент или показатель

2 3 4 5 6 7 8 9

24,9

36,9

18,8 41,,1 г1 3о

33,4

32,5

32,5

32,5

32,3 г4

Мрамор

Плавиковый шпат

Рутил

Песок кварцевый

Ферротитан

Ферросилиций ферромолибден

Феррованадий

7 3,5

10 5

1,3 0,1

0,1

6,0 3,о

4,2 1,6

14 8

2,8 1,О

2,0 0,3

4,о

6,о

0,5

0,5

4,2

0,5

1,О о,г

0,5

0,5

0,5

0,5

4,2

0,9

5,8

3,8

0,5

4,2

3,2

0,3

0,5

4,2

0,5

4,2

Хром

3,5

2,2

2,О

3,2

3,2

3,5

Никель

Железный порошок

Марганец

Поташ

13 12

12 12 12

1,6

1,6

1,6

1,6

1,6

2,5

1,2

1,5

0,5

Медь

Гидроксизтилцеллшлоза

Графит

Силикат калия

Полевой шпат

0,6

0,8 0,3

0,6

0,4 о,4

0,5

0,5

0,5

Соотношение между ферротитаном и рутилом

1:1,6

1:1,6

t:1,16 1;1,6

1:1,5

1:1,75 1:1,57 1:1,71 1:2,25

Углерод 0,08-0,12

Раскислители 0,5 — 1,0

Никель 1,0 — 1,5

Молибден 0,40 — 0,55

Железо Остальное и следующем соотношении компонентов покрытия, мас. :

Плавиковый шпат 22-28

-- - Рутил 7 — 9

Ферротитан 4 — 6

Ферросилиций 6 — 9

Ферромолибден 0,2-1,0

Феррованадий 0,3-0,9

Хром 3,5 — 5,8

Никель 2,0-3,8

Марганец 1,2 — 2,5

Графит 0,4 — 0,6

Железный порошок 10-13

Поташ 0,5 — 1,5

Мрамор Остальное при этом отношение суммарного содержа5 ния графита в покрытии и углерода в стержне к суммарному содержанию никеля в покрытии и стержне составляет 1; (6 — 8), а коэффициент массы покрытия составляет

40 — 60 Д.

10 2, Электрод по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения сварочно-технологических свойств электрода, ферросилиций и железный порошок введены в покрытие в виде гранулированных материа15 лов ферросилиция марки ФС15ГС и железного порошка марок ПЖР и ПЖРВ, а ферротитан и рутил в покрытии взяты в соотношении 1: (1,5 — 1,75).

Табл и ца

1764914

Таблица 3

Вариант (стержень А-Д + покрытие 1-9)

Вl Б2 А3 Д4 Г5 Б6 Б7 Б8 Б9

Показатель

0,716 0,593 О, 82 0,931 0,365 0,593 0,593 0,693 0,493

5,28 4,58 3,05 5,82 2,51 4,58 4,58 3,58 4,88

1:7,37 1;7,72 l:6,32 1:6,25 i:6,871:7,721:7,721:5,16 1:9,89

Гп + Сст

Нп + Нст

i(C: AH

Та бли ца 4

)" ) ) ) 11 t

Показатель

АЗ Д4 Г5 86 Б7 Б8 Б9

В1

Предел прочности, МПа

731 778 808 701 885 725 815 765 773

615 626 682 621 790 694 720 603 654

Предел текучести, МПа

Относительное удлинение, 4.

18 1 19 3 19 0 14 2 13 5 16 1 14 8 12 8 13 7

168 182 178 125 114 145 134 124 175

-Ударная вязкость, дж/и

Э Э 7

Табли уа 5

Пок затель

Экспертная оценка, балл, для варианта ) 3 ) I f 1

61 Б2 А3 Д4 Г5 Бб Б7 Б8 Б9

Поведение шлака положении в нижнем 4,4 вертикальном 4,2

4,4 нижнем 4,3 вертикальном 4,2

44 43 30 32 31 34 40 40

4,3 4,3

4,4 4,4

4,5 4,5

3,0 2,9 3,3

3,6 3,8 3,9

3,8 3,9 3,8

2,9

4,4

3,2

Разбрызгивание

Формирование валика в положении

3>0

Стабильность горения дуги 4,3

Сумма баллов 25,8

Период коротких замыканий, с 10

КоэФфициент наплавки, Г/А-ч 13,8

3,9

20,4

9 10

13,2 12,5 13,6

12,0 13,1 13,4 13,0 13,3

Составитель А. Геллер

Редактор Т. Горячева Техред М.Моргентал КоРРектоР Л, Ливринц

Заказ 3340 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Трещиностойкость, шт. валиков нап- лавляемого металла до образования трещин 10

4,6 4,6

4,2 4,2

26,4 26,3

9 12

3,о

3,9

20 5

3,1 3,0

4,0 4,1

20,8 21,5

10 10

4,0 4,0

4,4, 4,4

4,2 4,3

4,2 4,1

4,1 4,1

24,9 24,9