Порошковий електродний дріт для зварювання й наплавлення сталевих виробів

1. Порошковий електродний дріт для зварювання й наплавлення сталевих виробів, що складається зі сталевої оболонки і порошкової' шихти, в яку включені титановмісний і марганцевмісний компоненти, який відрізняється тим, що до складу шихти додатково введені молібденовмісний компонент, шлако- і газоутворюючі компоненти, причому компоненти дроту узяті в такому співвідношенні, мас. % 2-20 титановмісний компонент 1-2,5 молібденовмісний компонент 1-2,0 марганцевмісний компонент 4-8 шлако- і газоутворюючі компоненти решта. сталева оболонка 2. Порошковий дріт за п 1, який відрізняється тим, що як титановмісний компонент узятий порошок титану металевого в кількості 2-8%. 3. Порошковий дріт за п.1, який відрізняється тим, що як титановмісний компонент узятий порошок феротитану в кількості 8-20%. 4. Порошковий дріт за п.1, який відрізняється тим, що як молібденовмісний компонент узятий молібден металевий в кількості 1-1,5%. 5 Порошковий дріт за п.1, який відрізняється тим, що як молібденовмісний компонент узятий феромолібден в КІЛЬКОСТІ 1,4- 2,5%. 6. Порошковий дріт за п.1, який відрізняється тим, що як марганцевмісний компонент узятий марганець металевий в кількості 1-1,5% 7. Порошковий дріт за п.1, який відрізняється тим, що як марганцевмісний компонент узятий феромарганець в кількості 1,2-2,0%. CM О (О (О Винахід відноситься до зварювальних матеріалів, зокрема, до порошкових дротів для нанесення проміжного чи робочого шару з відносно м'якого металу (180-360 HV), що відрізняється високою стійкістю проти утворення гарячих і холодних тріщин при зварюванні й наплавленні виробів із важкозварювальних високовуглецевих сталей. При дуговому зварюванні й наплавленні частка основного металу в першому наплавленому шарі чи шві може досягати 50-60%. Якщо за основний метал править високовуглецева, наприклад, рейкова сталь з 0,8% вуглецю, то навіть при використанні зварювального дроту феритного класу з мінімяпцним RMinrnM Rvrnpiim 0 ПЯ% ҐГЛПТ 4Ч4Д них і структурних напружень і, таким чином, до неминучого утворення тріщин. У зв'язку з викладеним, для зварювання й наплавлення важкозварювальних високовуглецевих сталей використовують хромонікелеві або хромонікельмарганцеві дроти аустенітного класу (див.: Технология електрической сварки металов и сплавов плавлением. Под ред Б.Е Патона, М, «Машиностроение» 1974, 767 с). Відомий холоднотягнутий зварювальний дріт марки Св-08Х21Н10Г 6 (ГОСТ 2246-70), що найбільш часто застосовують для цієї мети. Він містить, (мас. %): , СП 1 П со зняється високою пластичністю й стійкістю проти утворення холодних тріщин Недоліком дроту є його дорожнеча й дефіцитність. Відомий також порошковий дріт для наплавлення (авторське посвідчення СРСР № 1103442, кл. В23К 35/368, 15 07.1984 - прототип), який складається зі сталевої оболонки й порошкоподібної шихти, що містить марганець металевий, хром металевий, феротитан, натрій кремнефтористий, графіт, і відрізняється тим, що з метою зменшення схильності до утворення пор і тріщин у наплавленому металі склад шихти додатково містить нікель, при наступному співвідношенні компонентів складу порошкового дроту (мас. %): Хром металевий 27-29 Марганець металевий 15-17 Нікель 2,5-3 Графіт 0,7-0,8 Феротитан 0,5-1,2 Натрій кремнефторістий 1,3-3,0 Сталеаа оболонка інше Метал отриманий при наплавленні цим дротом також має аустенітну структуру та, відповідно, низьку схильність до утворення тріщин. Недоліком дроту є його висока вартість і перевантаженість дорогими й дефіцитними легуючими елементами. Задачею цього винаходу є створення відносно дешевого порошкового дроту для дугового зварювання й наплавлення виробів з важкозварюванних високовуглецевих сталей, що забезпечує одержання м'якого наплавленого металу феритного класу, який відрізняється високою стійкістю до утворення тріщин. Для досягнення поставленої мети запропонований порошковий дріт, який складається зі сталевої оболонки і порошкоподібної шихти, яка містить (мас. %): ТитанвмІщуючий компонент 2-20 Молібденеміщуючий компонент 1-2,5 Марганецьвміщуючий компонент 1-8 чого й марганецьвміщуючого компонентів можуть використовуватися порошки відповідних металів чи, що значно дешевше, їхніх феросплавів. В якості сталевої оболонки використовується холоднокатана стрічка (ТОСТ 19851-74) з низьковуглецевої стали марок: 08,08кп, 08пс При зварюванні й наплавленні запропонованим дротом титан, як найбільш активний карбідоутворюючий елемент, зв'язує вуглець, що поступає у зварювальну ванну, в міцний карбід ТіС. Менш активний карбідоутворювач молібден в присутності титана, в основному, виконує роль модифікатора, а при недостачі титана зв'язує надлишковий вуглець в карбід МоС. Матриця сплаву при цьому збіднюється вуглецем, здобуває феритну структуру і стає пластично що істотно підвищує стійкість наплавленого металу проти утворення холодних і гарячих тріщин. Необхідна кількість карбідоутворюючих елементів у дроті визначається КІЛЬКІСТЮ вуглецю в основному металі і може корегуватися в заданих межах. Марганець вводиться до складу дроту для розкислення зварювальної* ванни і для зв'язування сірки в тугоплавкий сульфід MnS, що додатково підвищує стійкість наплавленого металу проти гарячих тріщин Були виготовлені 13 варіантів складів порошкових дротів і проведені 4 серії дослідів по автоматичному наплавленню сталей з різним змістом вуглецю. Наплавлення вели на холодний основний метал без попереднього й супутнього підігрівів, з охолодженням на повітрі Режим наплавлення: Ізв=420А, Ufl=24B; V H =36,6M/4 ТІК ПОСТІЙНИЙ, полярність зворотна. Встановлено, що процес наплавлення протікає стійко, дуга горить рівномірно, розбризкування невелике, формування наплавленого металу гарне, валики покриті тонкою скоринкою шлаку. Склади дротів, марки основного металу й результати ДОСЛІДІВ приведені в таблицях 1 та 2 Таблиця 1 Наплавлення дротом із шихтою з порошків феросплавів Порошковий дріт Основний Наплавлений метал, перший метал шар СтаСостав шихты, мас. % № № лева Вміст, Вміст, сеТрі- Шлакові ФероФероШлако-1 Марка дро- обоФеровугле- вугле- Твердість рії молибмаргагазоутво- сталі, щивклюцю HV ту лонка, титан ГОСТ цю ден нець рюючі ни чення мас % % мас % 4 8 11 1 2 3 5 6 7 9 10 12 13 1 88 2 1,0 1,0 8 0,24 406 Есть Нет 86 4 2 1,0 1,0 8 0,25 338 Her Нет 86 8 1,0 4 40Г2, 0,22 304 Нет Нет 3 1,0 4543- 0,42 1 81 12 1,5 4 0,25 240 Нет Нет 4 1,5 71 197 74,5 16 2,0 1,5 6 0,23 Нет Нет 5 69,5 20 2,5 2,0 6 0,24 192 Нет Нет 6 24 63,5 2,5 2,0 8 0,25 188 Нет 7 Есть 1 2 2 1 2 3 4 5 6 7 3 88 86 86 81 74,5 69,5 63,5 4 2 4 8 12 16 20 24 5 1,0 1,0 1,0 1,5 1,5 2,0 2,0 Наплавлення Порошковий дріт Состав шихт № № Сталева седро- оболонка, Молиб- М ри Титан % ту ден н 1 2 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 93 92 88 85 82 79 93 92 88 85 82 79 1 2 4 6 8 10 1 2 4 6 8 10 1,0 1,0 1,0 1,5 1,5 1,5 1,0 1,0 1,0 1,5 1,5 1,5 Оскільки наплавлення вели на одно* глибина проплавлення основного метал лася постійної, а КІЛЬКІСТЬ вуглецю, що н перший наплавлений шар, була прибли кова: для сталі 40Г2 - близько 0,24%, а М-75 - близько 0,43%. Однак твердість і ного металу виявилася різною. З табли що твердість зменшується зі збільшенні кількості титана. У цьому випадку 1.2...1.7, 2.3. .2 7, 3.2...3.6, 4.2. 4.6) біль на вуглецю виявляється зв'язаної в ка| матриці його залишається мало. Тому стає м'якої, а структура наплавленог складається з фериту і глобулярних карб При малій кількості титана в карбіди ся тільки незначна частина вуглецю Би частина залишається у твердому розчик 1.1, 2.1, 2.2, 3.1, 4.1). В результаті, п| Комп'ютерна верстка С. Волобуев УКРАЇНА (19) UA (11)39646 (із, С2 (51)7В23К35/368 МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ДЕРЖАВНИЙ ДЕПАРТАМЕНТ ІНТЕЛЕКТУАЛЬНОЇ ВЛАСНОСТІ ОПИС ДО ПАТЕНТУ НА ВИНАХІД (54) ПОРОШКОВИЙ ЕЛЕКТРОДНИЙ ДРІТ ДЛЯ ЗВАРЮВАННЯ Й НАПЛАВЛЕННЯ СТАЛЕВИХ ВИРОБІВ (21)2000116660 (22) 24 11 2000 (24) 15 09 2003 (46) 15 09 2003, Бюл № 9, 2003 р (72) Каленський Віктор Костянтинович, Рябцев Ігор Олександрович, Черняк Ярослав Петрович (73) ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОЗВАРЮВАННЯ ЇМ Є О ПАТОНА НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ (56) SU 909871 А1, 15 07 91 SU 1123215 А1, 15 07 91 RU 1769481 С, 30 08 94 RU 2074078 С1, 27 02 97 DE 3635060 А1, 21 05 87 Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением Под ред Акад Б Е Патона М , "Машиностроение", 1974 768 с (57) 1 Порошковий електродний дріт для зварювання й наплавлення сталевих виробів, що складається зі сталевої оболонки і порошкової шихти, в яку включені титановмісний і марганцевмісний компоненти, який відрізняється тим, що до складу шихти додатково введені молібденовмісний компонент, шлако- і газоутворюючі компоненти, причому компоненти дроту узяті в такому співвідношенні, мас % 2-20 титановмісний компонент 1-2,5 молібденовмісний компонент 1-2,0 марганцевмісний компонент 4-8 шлако-1 газоутворюючі компоненти решта сталева оболонка 2 Порошковий дріт за п 1, який відрізняється тим, що як титановмісний компонент узятий порошок титану металевого в КІЛЬКОСТІ 2-8% 3 Порошковий дріт за п 1, який відрізняється тим, що як титановмісний компонент узятий порошок феротитану в КІЛЬКОСТІ 8-20% 4 Порошковий дріт за п 1, який відрізняється тим, що як молібденовмісний компонент узятий молібден металевий в КІЛЬКОСТІ 1-1,5% 5 Порошковий дріт за п 1, який відрізняється тим, що як молібденовмісний компонент узятий феромолібден в КІЛЬКОСТІ 1,4- 2,5% 6 Порошковий дріт за п 1, який відрізняється тим, що як марганцевмісний компонент узятий марганець металевий в КІЛЬКОСТІ 1-1,5% 7 Порошковий дріт за п 1, який відрізняється тим, що як марганцевмісний компонент узятий CV О феромарганець в КІЛЬКОСТІ 1,2-2,0% (О ^ со Винахід відноситься до зварювальних матеріалів, зокрема, до порошкових дротів для нанесення проміжного чи робочого шару з відносно м'якого металу (180-360 HV), що відрізняється високою СТІЙКІСТЮ проти утворення гарячих і холодних тріщин при зварюванні й наплавленні виробів із важкозварювальних високовуглецевих сталей При дуговому зварюванні й наплавленні частка основного металу в першому наплавленому шарі чи шві може досягати 50-60% Якщо за основний метал править високовуглецева, наприклад, рейкова сталь з 0,8% вуглецю, то навіть при використанні зварювального дроту феритного класу з мінімальним вмістом вуглецю 0,05% (ГОСТ 454371), КІЛЬКІСТЬ вуглецю в наплавленому металі складе близько 0,45% Це призведе до утворення мартенситної структури і складного напруженого стану, обумовленого підсумовуванням зварюваль них і структурних напружень і таким чином, до неминучого утворення тріщин У зв'язку з викладеним, для зварювання й наплавлення важкозварювальних високовуглецевих сталей використовують хромонікелеві або хромонікельмарганцеві дроти аустенітного класу (див Технология електрической сварки металов и сплавов плавлением Под ред Б Е Патона, М, «Машиностроение» 1974, 767 с) Відомий холоднотягнутий зварювальний дріт марки Св-08Х21Н10Г 6 (ГОСТ 2246-70), що найбільш часто застосовують для цієї мети Він містить, (мас %) Вуглець (0,10 Кремній 0,20-0,70 Марганець 5-7 Хром 20-22 Нікель 9-11 О) со 39646 Залізо інше Метал, отриманий при зварюванні чи наплавленні цим дротом, має аустенітну структуру, відрізняється високою пластичністю й СТІЙКІСТЮ проти утворення холодних тріщин Недоліком дроту є його дорожнеча й дефіцитність Відомий також порошковий дріт для наплавлення (авторське посвідчення СРСР № 1103442, кл В23К 35/368, 15 07 1984 - прототип), який складається зі сталевої оболонки й порошкоподібної шихти, що містить марганець металевий, хром металевий, феротитан, натрій кремнефтористий, графіт, і відрізняється тим, що з метою зменшення схильності до утворення пор і тріщин у наплавленому металі склад шихти додатково містить нікель, при наступному співвідношенні компонентів складу порошкового дроту (мас %) Хром металевий 27-29 Марганець металевий 15-17 Нікель 2,5-3 Графіт 0,7-0,8 Феротитан 0,5-1,2 Натрій кремнефторістий 1,3-3,0 Сталеаа оболонка інше Метал отриманий при наплавленні цим дротом також має аустенітну структуру та, ВІДПОВІДНО, низьку схильність до утворення тріщин Недоліком дроту є його висока вартість і перевантаженість дорогими й дефіцитними легуючими елементами Задачею цього винаходу є створення відносно дешевого порошкового дроту для дугового зварювання й наплавлення виробів з важкозварюванних високовуглецевих сталей, що забезпечує одержання м'якого наплавленого металу феритного класу, який відрізняється високою СТІЙКІСТЮ ДО утворення тріщин Для досягнення поставленої мети запропонований порошковий дріт, який складається зі сталевої оболонки і порошкоподібної шихти, яка містить (мас %) Титанвміщуючий компонент 2-20 Молібденвміщуючий компонент 1-2,5 Марганецьвміщуючий компонент 1 -8 Шлако-1 газоутворюючи компоненти 4-8 Сталева оболонка інше В якості, титанвміщуючого, молібденвміщуючого й марганецьвміщуючого компонентів можуть використовуватися порошки ВІДПОВІДНИХ металів чи, що значно дешевше, їхніх феросплавів В якості сталевої оболонки використовується холоднокатана стрічка (ТОСТ 19851-74) з низьковуглецевої стали марок 08,08кп, 08пс При зварюванні й наплавленні запропонованим дротом титан, як найбільш активний карбідоутворюючий елемент, зв'язує вуглець, що поступає у зварювальну ванну, в міцний карбід ТіС Менш активний карбідоутворювач молібден в присутності титана, в основному, виконує роль модифікатора, а при недостачі титана зв'язує надлишковий вуглець в карбід МоС Матриця сплаву при цьому збіднюється вуглецем, здобуває феритну структуру і стає пластично що істотно підвищує СТІЙКІСТЬ наплавленого металу проти утворення холодних і гарячих тріщин Необхідна КІЛЬКІСТЬ карбідоутворюючих елементів у дроті визначається КІЛЬКІСТЮ вуглецю в основному металі і може корегуватися в заданих межах Марганець вводиться до складу дроту для розкислення зварювальної ванни і для зв'язування сірки в тугоплавкий сульфід MnS, що додатково підвищує СТІЙКІСТЬ наплавленого металу проти гарячих тріщин Були виготовлені 13 варіантів складів порошкових дротів і проведені 4 серн ДОСЛІДІВ по автоматичному наплавленню сталей з різним змістом вуглецю Наплавлення вели на холодний основний метал без попереднього й супутнього підігрівів, з охолодженням на повітрі Режим наплавлення І3в=420А, ид=24В, VH=36,6M/4 ТІК ПОСТІЙНИЙ, полярність зворотна Встановлено, що процес наплавлення протікає стійко, дуга горить рівномірно, розбризкування невелике, формування наплавленого металу гарне, валики покриті тонкою скоринкою шлаку Склади дротів, марки основного металу й результати ДОСЛІДІВ приведені в таблицях 1 та 2 Таблиця 1 Наплавлення дротом із шихтою з порошків феросплавів Ста№ № лева серп дро- оботу лонка, % 1 2 3 1 88 2 86 3 86 1 4 81 5 74,5 6 69,5 7 63,5 Порошковий дріт Состав шихты, мас % Феротитан Феромолибден Феромарганець 4 2 4 8 12 16 20 24 5 1,0 1,0 1,0 1,5 2,0 2,5 2,5 6 1,0 1,0 1,0 1,5 1,5 2,0 2,0 Основний Наплавлений метал, перший метал шар Вміст, Вміст Трі- Шлакові Шлако-1 Марка вугле- вугле- Твердість щивклюгазоутво- сталі, HV цю цю чення рюючі ГОСТ ни мас % мас % 7 11 8 12 13 9 10 0,24 Нет 8 406 Есть 8 338 Her Нет 0,25 304 4 Нет Нет 40Г2, 0,22 4543- 0,42 4 240 Нет Нет 0,25 71 197 Нет Нет 6 0,23 192 0,24 Нет Нет 6 Нет Есть 8 0,25 188 39646 Продовження таблиці 1 1 2 2 1 2 3 4 5 6 7 3 88 86 86 81 74,5 69,5 63,5 4 2 4 8 12 16 20 24 5 1,0 1,0 1,0 1,5 1,5 2,0 2,0 7 8 8 4 4 6 6 8 6 1,0 1,0 1,0 1,5 1,5 2,0 2,0 8 9 М-75, 654453 0,78 10 0,42 0,44 0,45 0,42 0,43 0,42 0,43 13 Нет Нет Нет Нет Нет Нет Есть 12 Есть Есть Нет Нет Нет Нет Нет 11 443 407 352 245 202 188 189 Таблиця 2 Наплавлення дротом із шихтою з порошків чистих металів Порошковий дріт Состав шихты, мас % Основний меНаплавний метал, перший шар тал № № Сталева Вміст Вміст сеШлакові Шлако-1 Марка оболонка, Молиб- Маргавугле- вугле- Твердість Тріри дровключеТитан газоутво- сталі, % нець HV щини ден цю мас цю мас ту рюючі ГОСТ ння % % 1 1 4 93 412 Есть Нет 1,0 0,25 1,0 2 92 4 2 Нет Нет 1,0 0,23 325 1,0 40Г2, 88 4 Нет 3 6 234 Нет 1,0 0,26 1,0 1 4543- 0,42 4 85 6 6 Нет Нет 1,5 1,5 0,22 198 71 82 5 8 Нет Нет 8 1,5 1,5 0,24 187 6 79 Есть 10 8 0,24 Нет 1,5 189 1,5 1 1 93 4 Нет 0,43 Есть 1,0 1,0 438 2 92 4 Нет 2 Нет 1,0 0,45 360 1,0 М-75, 3 88 4 Нет 6 0,44 Нет 1,0 1,0 276 6544- 0,78 2 4 85 Нет 6 1,5 6 0,42 Нет 1,5 210 53 5 82 Нет 8 1,5 8 0,42 192 Нет 1,5 79 6 0,44 Нет Есть 10 1,5 8 1,5 188 Оскільки наплавлення вели на одному режимі, глибина проплавлення основного металу залишалася постійної, а КІЛЬКІСТЬ вуглецю, що надходив у перший наплавлений шар, була приблизно однакова для сталі 40Г2 - близько 0,24%, а для сталі М-75 - близько 0,43% Однак твердість наплавленого металу виявилася різною 3 таблиць видно, що твердість зменшується зі збільшенням у дроті КІЛЬКОСТІ титана У цьому випадку (досліди 12 1 7, 2 3 2 7, 3 2 3 6, 4 2 4 6) більша частина вуглецю виявляється зв'язаної в карбіди, а в матриці його залишається мало Тому матриця стає м'якої, а структура наплавленого металу складається з фериту і глобулярних карбідів При малій КІЛЬКОСТІ титана в карбіди зв'язується тільки незначна частина вуглецю Більша його частина залишається у твердому розчині (досвіди 1 1 , 2 1 , 2 2, 3 1 , 41) В результаті, при охоло Комп ютерна верстка С Волобуев дженні, в матриці наплавленого металу відбувається мартенситне перетворення, виникають структурні напруги, твердість зростає, утворюються тріщини Структура наплавленого металу складається з фериту, мартенситу й карбідів Таким чином, чим вище вміст вуглецю в основному металі, тим більше карбідоутворюючих елементів варто було б уводити в дріт Однак, необмежене збільшення вмісту титана недоцільно При необхідності одержати мінімальну твердість співвідношення між титаном і вуглецем у наплавленому металі повинне бути близьким до стехіометричного Ті С=4 1 Надлишок титана небажаний також у зв'язку з появою шлакових включень в наплавленому металі (досліди 17, 2 7, 3 6, 4 6) Можливо, це зв'язано зі зміною складу, підвищенням адгезії й температури плавлення шлаку Підписано до друку 06 10 2003 Тираж 39 прим Міністерство освгги і науки України Державний департамент інтелектуальної власності Львівська площа, 8, м Київ, МСП 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет', вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна