Електродне покриття для зварювання різнорідних сталей

Реферат: Винахід належить до галузі зварювального виробництва, а саме - до складу електродного покриття для зварювання різнорідних сталей - низьковуглецевих або низьколегованих з високолегованими сталями аустенітного класу, легованого плакуючого шару біметалу зі сталей марок 08X13, 12Х17Т, 08Х18Н10Т, сталей феритного класу типу 15Х25Т, що містить мармур, плавиковий шпат, феротитан, феросиліцій, причому до складу покриття додатково введені хром металевий, нікелевий порошок, марганець азотований, розкислювачі - марганець та алюміній, взяті разом або окремо, один або декілька оксидів чотиривалентних металів, вибраних з наступного ряду металів - титану, цирконію, кремнію, пластифікуючі домішки UA 100287 C2 (12) UA 100287 C2 слюда мусковіт, електродна целюлоза, сода кальцинована, причому компоненти покриття взяті в наступному співвідношенні, в мас. %: мармур плавиковий шпат феротитан феросиліцій хром металевий нікелевий порошок марганець азотований розкислювачі - марганець, алюміній оксиди чотиривалентних металів - титану, цирконію, кремнію пластифікуючі домішки - слюда мусковіт, електродна целюлоза, сода кальцинована 24,0-28,0 22,0-26,0 2,5-3,0 0,5-1,5 18,5-21,0 12,0-14,5 0,5-1,5 5,0-5,5 3,0-5,0 0,5-3,0. Хром металевий та нікелевий порошок можуть бути введені у вигляді сплаву хрому та нікелю, оксиди чотиривалентних металів - титану, цирконію, кремнію - введені у вигляді їх комплексних сполук типу силікатів титану та силікатів цирконію, розкислювачі, які містять марганець та алюміній - введені у вигляді їх сплаву, а як пластифікаторів - вибрані один або декілька компонентів з наступного ряду: ніфеліновий концентрат, карбоксиметилцелюлоза (КМЦ), поташ. Винахід забезпечує зниження структурної і хімічної неоднорідності матеріалу зварного шва, підвищення його деформуючої здатності та надійне з’єднання різнорідних сталей. UA 100287 C2 5 10 15 20 25 Винахід належить до галузі зварювального виробництва, а саме до зварювальних матеріалів, зокрема покритих електродів для дугового зварювання різнорідних сталей: низьковуглецевих або низьколегованих з високолегованими сталями аустенітного класу, а також легованого плакуючого шару біметалу із сталей марок 08X13, 12X17Т, 08X18Н10Т, так само сталей феритного класу типу 15X25Т. Зварні з'єднання різнорідних сталей використовують при виготовленні апаратури, що працює в окислювальному середовищі та при підвищеній температурі в хімічному, харчовому, нафтопереробному та енергетичному машинобудуванні, а також інших галузях промисловості. Основними вимогами до зварювальних матеріалів, зокрема до покритих електродів, які призначені для зварювання вищевказаних різнорідних сталей є зниження структурної та хімічної неоднорідності, а також забезпечення відсутності крихких кристалізаційних прошарків мартенситу в передній зоні між низьковуглецевою сталлю та високолегованим металом шва. Наявність структурної та хімічної неоднорідності, а особливо крихких кристалізаційних прошарків мартенситу, знижує деформаційну здатність зварних з'єднань, тим самим зменшуючи експлуатаційну надійність зварних конструкцій, аж до їх руйнування внаслідок утворення та розвитку холодних тріщин (відколів). Отже, при розробці покритих електродів для зварювання різнорідних сталей необхідно виключити вказані негативні явища. Для ручного дугового зварювання різнорідних сталей, а саме низьковуглецевих або низьколегованих з високолегованими сталями аустенітного класу, а також легованого плакуючого шару біметалу із сталей марок 08X13, 12X17Т, 08X18Н10Т, так само сталей феритного класу типу 15X25T застосовуються електроди марки ЭНТУ-3 типу Э-10X25Н13Г2 по ГОСТ 10052-75 [Борт М.М., Белоцкий Л.А., Васильєв Г.В. и др. Справочник электросварщика: Москва - Киев: "Машгиз", 1961 г., 752 стр., стр. 171]. Цей електрод складається із стрижня із сталі Св-07X25Н13 та покриття, до складу якого входять наступні компоненти, в мас. % Мармур Плавиковий шпат Двооксид титану Феромарганець Феротитан Феросиліцій 30 35 Застосування вказаних електродів в деяких випадках, а саме, при зварюванні товстого металу, а також при зварюванні сталей з підвищеним вмістом вуглецю, не завжди забезпечує отримання високоякісних зварних з'єднань. Іноді це залежить від кваліфікації зварника та режимів зварювання. Найбільш близьким до покриття, що заявляється, як винахід, є склад покриття електродів марки ЦЛ-9 типу Э-10X25Н13Г2Б по ГОСТ 19952-75, аналогічного призначення, [Закс И.А.: - Электроды для дуговой сварки сталей и никелевых сплавов: СанктПетербург: Welcome, 1996. С - 381, 340, 341], яке обране нами, як найближчий аналог. Ці електроди складаються з металевого стрижня, виготовленого із сталевого дроту марки Св07X25Н13 та покриття, яке містить компоненти при наступному їх співвідношенні, мас. % Maрмур Плавиковий шпат Двооксид титану Феромарганець Феротитан Феросиліцій Фероніобій 40 45 45,0 39,0 6,0 2,5 5,5 2,0 34,0 39,5 4,5 8,0 3,0 2,0 9,0 Покритий електрод марки ЦЛ-9 (найближчий аналог), як і електрод марки ЭНТУ-3 (аналог), забезпечує практично такий самий тип наплавленого металу, а саме Э-10X25Н13Г2Б. Тобто містить 25,0 мас. % хрому, 13,0 мас. % нікелю, та 2,0 мас. % марганцю. Такий хімічний склад наплавленого металу не завжди спроможний забезпечити вимоги, які пред'являються до зварних з'єднань різнорідних сталей. При зварюванні відомими електродами різнорідних сталей, так само біметалу, в перехідній зоні товщиною до 100 мкм між низько-вуглецевою сталлю та високолегованим наплавленим металом типу Э-10X25Н13Г2Б (Э-10X25Н13Г2) виникає структурна неоднорідність у вигляді окремих напівострівків низько вуглецевого металу в високолегованому металі шва. Тут також 1 UA 100287 C2 5 10 15 20 виникає хімічна неоднорідність, яка проявляється в зниженні вмісту хрому та нікелю до 9 мас. % та 4 мас. %, відповідно. Внаслідок цього в перехідній зоні утворюється крихка мартенситна фаза (твердість 3800-4000 МПа) та виникають тріщини, що в подальшому спричиняє корозію та відшарування високолегованого металу від конструкційної низько вуглецевої сталі. Як наслідок зменшується працездатність зварного з'єднання та конструкції в цілому. Задачею винаходу, що пропонується, є створення покриття електродів для зварювання різнорідних сталей низьковуглецевих або низьколегованих з високолегованими сталями аустенітного класу, а також легованого плакуючого шару біметалу із сталей марок 08X13, 12X17Т, 08X18Н10Т, так само сталей феритного класу типу 15X25Т, що забезпечує зниження структурної та хімічної неоднорідності, відсутність мартенситу в перехідній зоні між низько вуглецевою сталлю та високолегованим металом шва, і підвищення деформаційної здатності зварного з'єднання. Поставлена задача вирішується тим, що в електродне покриття для зварювання різнорідних сталей низьковуглецевих або низьколегованих з високолегованими сталями аустенітного класу, а також легованого плакуючого шару біметалу із сталей марок 08X13, 12X17Т, 08X18Н1 ОТ, так само сталей феритного класу типу 15X25Т, що містить мармур, плавиковий шпат, феротитан, феросиліцій, згідно винаходу, додатково введені хром металевий, нікелевий порошок, марганець азотований; розкислювачі-марганець та алюміній, взяті разом або окремо; оди або декілька оксидів чотирьохвалентних металів обраних з наступного ряду металів – титану, цирконію, кремнію; пластифікуючі домішки, а саме - слюду мусковіт, електродну целюлозу, соду кальциновану, причому компоненти покриття взяті в наступному співвідношенні, в мас. % Мармур Плавиковий шпат Феротитан Феросиліцій Хром металевий Нікелевий порошок Марганець азотований Розкислювачі - марганець, алюміній Оксиди чотирьохвалентних металів - титану, цирконію, кремнію Пластифікуючі домішки слюда мусковіт, електродна целюлоза, сода кальцинована 25 30 35 40 24,0-28,0 22,0-26,0 2,5-3,0 0,5-1,5 18,5-21,0 12,0-14,5 0,5-1,5 5,0-5,5 3,0-5,0 0,5-3,0. Мармур та плавиковий шпат є основними газо-шлакоутворюючими компонентами покриття електродів. Газо-шлакоутворюючі системи електродного покриття, що пропонується як і покриття – найб… аналогу, відноситься до фтористо-кальцієвого типу. Однак, суттєвою відмінністю заявляємого складу покриття є зниження вмісту мармуру до 24,0…28,0 мас. % порівняно із складом найб. аналогу - 34,0 мас. %. Зменшений вміст мармуру в складі електродного покриття поряд з застосуванням в якості розкислювача марганцю металевого сприяє отриманню в наплавленому металі низького вмісту вуглецю, внаслідок чого зменшується розвиток структурної неоднорідності в перехідній зоні шва. При зменшенні в покритті вмісту мармуру нижче 24,0 мас. % не забезпечується надійний захист металу шва від повітряного середовища, що призводить до пористості зварних швів. При вмісті мармуру більш ніж 28,0 мас. % в металі шва збільшується вміст вуглецю. Зменшене використання в складі електродного покриття плавикового шпату (22,0-26,0) мас. %, порівняно з прототипом-39,5 мас. %, сприяє підвищенню стабільності горіння дуги, тобто покращує зварювально-технологічні властивості електродів. Подальше зменшення вмісту плавикового шпату - нижче 22 мас. % не забезпечує достатню стійкість металу зварних швів проти утворення пористості. При вмісті плавикового шпату більш ніж 26,0 мас. % погіршується стабільність горіння дуги. Додатковим введенням до складу електродного покриття таких шлакоутворюючих компонентів, як оксиди чотирьохвалентних металів (титану, цирконію, кремнію) в кількості 3-5 мас. % досягається комплекс фізико-хімічних властивостей шлаку, що забезпечує гарне формування швів та відокремлення шлакової кірки. 2 UA 100287 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Зменшення в електродному покритті вмісту вказаних оксидів менше 3,0 мас. % не забезпечує необхідного ефекту. При збільшенні їх кількості-вище 5,0 мас. % на поверхні зварних швів утворюються плівки шпінелем, які погіршують зовнішній вигляд та якість зварних швів. Додаткове введення до складу електродного покриття марганцю азотованого в кількості 0,51,5 мас. %, поряд з розкислювачами-марганцем металевим та алюмінієм в кількості 5,0-5,5 мас. %, сприяє утворенню в металі шва високотемпературних нітридів та карбонітридів хрому, титану та алюмінію, які є модифікаторами металу шва і підвищують його стійкість проти утворення гарячих тріщин. Зменшення в покритті вмісту азотованого марганцю менше 0,5 мас. % та розкислювачів (марганцю та алюмінію) - менше 5,0 мас. % не дає позитивного ефекту. При збільшенні вмісту азотованого марганцю вище 1,5 мас. %, та розкислювачів - вище 5,5 мас. % може викликатися пористість в зварних швах. Однак, найбільш суттєвою відмінністю є додаткове введення до складу електродного покриття хрому металевого в кількості 18,5-21,0 мас. % та нікелевого порошку в кількості 12,014,5 мас. %. При застосуванні електродних стрижнів зі сталі Св-07X25Н13, поряд з складом електродного покриття, що заявляється в перехідному прошарку між низьковуглецевого сталлю та високолегованим металом шва зменшується його структурна та хімічна неоднорідність. Вміст хрому досягає 15,0 мас. %, а нікелю - 9,0 мас. %, внаслідок чого тут виключається утворення мартенситної фази (мікротвердість зменшується до 3000 МПа). Вказані зміни структурного стану металу перехідної зони збільшують робочий ресурс зварних конструкцій із різнорідних сталей та біметалу. Підвищується деформаційна здатність зварних з'єднань, про що свідчить підвищення кута загину при випробуванні дослідних зразків. Введення хрому металевого в склад покриття в кількості, меншій ніж 18,5 мас. % не забезпечує отримання в перехідній зоні між низьковуглецевою сталлю та високолегованим швом вмісту хрому в кількості не нижче 15,0 мас. %. Так само при використанні в складі покриття нікелевого порошку в кількості меншій 12,0 мас. % зменшується вміст нікелю в перехідній зоні - нижче 9,0 мас. %. При такому зменшенні вмісту хрому та нікелю в перехідній зоні створюються умови для утворення тут крихких прошарків мартенситної фази, що в подальшому може призвести до утворення тріщин та відколів. Збільшення в складі покриття вмісту хрому - вище 21,0 мас. %, та нікелю - вище 14,5 мас. % є не раціональним, оскільки збільшує витрати коштовних компонентів та вартість електродів. Додаткове введення до складу електродного покриття хрому металевого та нікелевого порошку, інших металевих компонентів спричиняє зниження технологічності електродної маси при виготовленні електродів, виникає необхідність додаткового введення в покриття пластифікуючих домішок, а саме - слюди мусковіт, електродної целюлози та соди кальцинованої в загальній кількості 0,5-3,0 мас. %. Менша за 0,5 мас. % кількість пластифікаторів не дозволяє забезпечити технологічність електродної маси при виготовленні електродів. В цьому випадку знижується пластична міцність покриття, на ньому утворюються вм'ятини та інші пошкодження. Більша за 3,0 мас. % кількість пластифікуючих домішок в покритті (слюди мусковіт, електродної целюлози та соди кальцинованої) підвищує схильність електродної маси до тверднення під час пресування електродів, в наслідок чого не забезпечується рівномірність нанесення покриття відносно сталевого стрижня. Для оцінки якості зварних з'єднань різнорідних сталей низьковуглецевих або низьколегованих з високолегованими сталями аустенітного класу, а також легованого плакуючого шару біметалу із сталей марок -8X13, 12X17Т, 08X18Н10Т, так само сталей феритного класу типу 15X25Т були виготовлені 5 партій покритих електродів діаметром 3 мм зі стрижнем із сталей Св-07X25Н13 та покриттями, склади яких відповідають запропонованому (див. табл… 1, склади № 1; 2; 3) та – не відповідають запропонованому (див. табл. 1, склади № 4; 5). Для оцінки якості зварних з'єднань різнорідних сталей електродами № 1÷5 зварювали постійним струмом зворотної полярності (при Iзв.  80...100 А , Uд  26...28B ) низьковуглецеву сталь (Ст.3) із сталлю феритного класу типу 15X25Т. Така комбінація з'єднання різнорідних сталей обрана тому, що вона є найбільш проблематичною з точки зору забезпечення низької хімічної та структурної неоднорідності та відсутності крихких прошарків мартенситної фази в перехідній зоні. Товщина металу в з'єднаннях вказаних сталей складала 16 мм. Після зварювання із стикових з'єднань виготовляли мікрошліфи для проведення металографічних досліджень, вимірювання мікротвердості та визначення вмісту легуючих 3 UA 100287 C2 елементів (хрому, нікелю) в металі перехідної зони. Виготовляли також зразки для визначення кута вигину одержаних з'єднань. Результати оцінки якості зварних з'єднань різнорідних сталей, виконаних електродами з покриттями наведеними в табл… 1, представлені в табл. 2. 5 Таблиця 1 Склад покриття електродів для зварювання з'єднань різнорідних сталей 1 24,0 26,0 2,9 0,5 21,0 14,3 0,5 Склад покриття електродів, мас % Номер електродів 2 3 4 27,1 28,0 23,0 22,0 24,5 31,0 3,0 2,5 2,0 1,0 1,5 0 18,5 20,0 23,0 14,5 12,0 10,0 1,0 1,5 2,0 5 30,0 20,0 4,0 2,0 16,0 16,0 0 5,5 5,0 4,0 3,0 6,0 4,8 5,0 3,0 6,0 1,0 0,5 2,9 3,0 0 5,0 № п/п Найменування компонентів Мармур Плавиковий шпат Феротитан Феросиліцій Хром металевий Нікелевий порошок Марганець азотований Розкислювачі - марганець, алюміній Оксиди чотирьохвалентних металів - титану, цирконію, кремнію Пластифікуючи домішки слюда мусковіт, електродна целюлоза, сода кальцинована 1. 2 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 10 Аналіз одержаних результатів дозволяє зробити наступні висновки. Електродне покриття, що заявляється (покриття електродів №1-3), забезпечує в перехідному шарі між низьколегованою сталлю та високолегованим металом шва зниження структурної та хімічної неоднорідності. Вміст хрому тут досягає рівня не нижче 14,5 мас. %, а нікелю - не менше 9,0 мас. %. Завдяки цьому тут спостерігається відсутність мартенситної фази (мікротвердість зменшується до 3100 МПа). Вказаний рівень структурного стану перехідного шару збільшує робочий ресурс зварних конструкцій із різнорідних сталей. Кут вигину зразків становить 155180°, що також свідчить про високу деформаційну здатність зварних з'єднань. 15 Таблиця 2 Результати досліджень з'єднань різнорідних сталей, виконаних електродами №1÷5 Номера Вміст в металі перехідного шару. електродів мас. % хрому 1 2 14,5 15,5 16,0 10,5 9,5 9,0 4 13,0 6,0 3400-3600 16,5 20 нікелю Мікротвердість металу в перехідному шарі, МПа 2900-3000 2950-3000 3000-3100 11,0 2800-3000 Присутність Кут мартенситної фази вигину, в перехідному град. шарі немає 180 немає 155 немає 140 є мартенсит 30,0 (тріщина) немає 140 При зварюванні електродом з покриттям № 4 в перехідній зоні спостерігається мартенситна фаза (мікротвердість становить 3400-3600 МПа). При цьому, вміст нікелю становить 6,0 мас. %, а вміст хрому - 13,0 мас. %. Кут вигину зменшується до 30°. Крім того, тут спостерігаються мікротріщини типу відколів. 4 UA 100287 C2 5 10 15 Разом с тим, хоча при зварюванні електродом № 5 мартенситна фаза та тріщини не утворюються, збільшення в електродному покритті кількості дорогих легуючих компонентів, особливо нікелю, призводить до нераціонального підвищення вартості електродів. Таким чином електродне покриття, що заявляється, як винахід, забезпечує: зниження структурної та хімічної неоднорідностей; відсутність мартенситної фази в перехідній зоні між низьковуглецевою сталлю та високолегованим металом шва; підвищення деформаційної здатності та ресурсу зварних з'єднань різнорідних сталей - низьковуглецевих або низьколегованих з високолегованими сталями аустенітного класу, а також легованого плакуючого шару біметалу із сталей марок 08X13, 12X17Т, 08X18Н10Т, так само сталей феритного класу типу 15X25Т. Тому, оскільки встановлено, що покриття електродів, яке заявляється як винахід має суттєві відмінності, котрі не виявлені у відомих технічних рішеннях, то можна зробити висновок, що дана пропозиція має суттєві відзнаки. Електроди з покриттям, яке заявлено як винахід пройшли лабораторні та промислові випробування, їм надано індекс АНВ-70БГ. На ці електроди оформлені технічні умови України ТУ У 28.7-05416923-099:2010. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 1. Електродне покриття для зварювання різнорідних сталей - низьковуглецевих або низьколегованих з високолегованими сталями аустенітного класу, а також легованого плакуючого шару біметалу із сталей марок 08X13, 12Х17Т, 08Х18Н10Т, так само сталей феритного класу типу 15Х25Т, що містить мармур, плавиковий шпат, феротитан, феросиліцій, яке відрізняється тим, що до складу цього покриття додатково введені хром металевий, нікелевий порошок, марганець азотований, розкислювачі - марганець та алюміній, взяті разом або окремо, один або декілька оксидів чотиривалентних металів, вибраних з наступного ряду металів - титану, цирконію, кремнію, пластифікуючі домішки - слюду мусковіт, електродну целюлозу, соду кальциновану, причому компоненти покриття взяті в наступному співвідношенні, в мас. %: 30 мармур плавиковий шпат феротитан феросиліцій хром металевий нікелевий порошок марганець азотований розкислювачі - марганець, алюміній оксиди чотиривалентних металів - титану, цирконію, кремнію пластифікуючі домішки - слюда мусковіт, електродна целюлоза, сода кальцинована 35 40 24,0-28,0 22,0-26,0 2,5-3,0 0,5-1,5 18,5-21,0 12,0-14,5 0,5-1,5 5,0-5,5 3,0-5,0 0,5-3,0. 2. Електродне покриття за п. 1, яке відрізняється тим, що хром металевий та нікелевий порошок введені у вигляді сплаву хрому та нікелю. 3. Електродне покриття за п. 1, яке відрізняється тим, що оксиди чотиривалентних металів титану, цирконію, кремнію введені у вигляді їх комплексних сполук типу силікатів титану та силікатів цирконію. 4. Електродне покриття за п. 1, яке відрізняється тим, що розкислювачі, які містять марганець та алюміній введені у вигляді їх сплаву. 5. Електроди покриття за п. 1, яке відрізняється тим, що як пластифікатори вибрані один або декілька компонентів з наступного ряду: ніфеліновий концентрат, карбоксиметилцелюлоза (КМЦ), поташ. 5 UA 100287 C2 Комп’ютерна верстка С. Чулій Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6