Электроды с различными видами покрытий

Влияние вида покрытия на качество наплавленного металла. Раскисление наплавленного металла одним или несколькими раскислителями снижает содержание О_2, растворенного в жидком металле перед его кристаллизацией. Однако для обеспечения высоких пластиче­ских свойств металла швов, особенно при сварке легированных сталей повышенной и высокой прочности, необходимо не только снизить концентрацию остаточного О₂, но следует также возможно полнее уменьшить количество продуктов раскисления, остающихся в сварных швах.

Это можно осуществить подбором состава покрытия, обеспечивающего определенные физико-химические свойства образующегося шлака. Необходимо, чтобы шлак при температуре жидкого металла обладал низкой вязкостью, хорошо смачивал жидкий металл и не препятствовал правильному формированию шва. Он также должен иметь высокую химическую активность по отношению к составу окисных включений, образующихся в наплавленном металле. Омывая капли жидкого металла и сварочную ванну, шлак должен растворять и связывать продукты раскисления металла.

Учитывая, что жидкий металл как в капле, так и в сварочной ванне находится в непрерывном конвективном перемешивании, такое рафинирование металла шва может быть осуществлено в значительной степени при условии совместного подбора раскислителей и шлаковой системы, а следовательно, и рецептуры покрытия электродов.

Рассмотрим образование и химический состав окисных включений и их взаимодействие со шлаком при сварке электродами в различными видами покрытий — кислым (рудно-кислым), рутиловым, целлюлозным и основным.

Приведенное подразделение электродов по видам покрытий является весьма приближенным, так как некоторые электроды имеют смешанные покрытия, а электроды для наплавочных работ или для сварки высоколегированных сталей в ряде случаев вообще выходят за пределы принятой классификации.

Электроды с рудно-кислым покрытием. Покрытие состоит из большого количества окислов железа Fе₂О₃ или марганца МпО₂ и различных силикатов с высоким содержанием SiO₂; в покрытии может присутствовать также ильменит или титановый концентрат. Раскислителем обычно является ферромарганец. Газовая защита осуществляется введением электродной целлюлозы (ЭЦ) в количестве до 5%.

В результате диссоциации окислов железа или марганца, а также гигроскопической и конституционной воды атмосфера дуги является окислительной. Шлак, образующийся при плавлении электрода, содержит большое количество окислов железа. Поэтому плавящийся металл при высокой температуре окисляется как за счет атмосферы дуги, так и за счет О₂, переходящего из шлака.

Применяемый в качестве раскислителя Мn начинает окисляться в плавящемся покрытии при взаимодействии с окислами железа и частично за счет 0₂ атмосферы дуги: В жидкий металл Мn переходит в весьма умерен­ном количестве.

При высокой температуре процесса обычно происходит восстановление из SiO₂ небольшого количества 51 (0,07—0,12%) по реакции SiO₂+2Мn = 2МnО + Si. При таких температурах протекает и реакция между С и О₂ с образованием СО.

В хвостовой части ванны, имеющей сравнительно низкую температуру, восстановленный Si и Мn, перешедшие из покрытия, вступают в реакцию с О₂, растворенным в жидком металле. В результате образуются включения SiO₂ и МnО, которые частично могут образовать между собой химическое соединение SiO₂-МnО с температурой плавления 1270°С. Такие соединения способны укрупняться за счет слияния нескольких молекул. Наплавленный металл оказывается в весьма большой степени загрязненным как крупными, так и мелкодисперсными включениями.

О количестве включений в металле, наплавленном электродами рассматриваемого типа, мoжно судить по содержанию О₂ в сварных швах, которое составляет 0,10—0,15%. Следует отметить, что крупные включения могут иметь экзогенное происхождение, т. е. заносятся в жидкий металл из шлака. Наличие включений, особенно мелкодисперсных, существенно снижает характеристики сварных швов и в первую очередь ударную вязкость при низких температурах. Учитывая вместе с этим большое количество вредных окислов марганца, выделяемых при сварке, электроды с рудно-кислым покрытием практически сняты с производства и выпускаются в настоящее время в весьма малых количествах.

Электроды с рутиловым покрытием. Покрытие состоит из большого количества рутила (содержание TiO₂~95%), алюмосиликатов (калиевая слюда, каолин, полевой шпат), умеренного количества карбонатов (мрамор, магнезит). Раскислителем служит ферромарганец. Газовая защита помимо карбонатов осуществляется целлюлозой (ЭЦ), вводимой в покрытие электродов до 4 — 5%. В качестве связующего применяют калиево-натриевое или натриево-калиевое жидкое стекло. Атмосфера дуги является слабо окислительной за счет кислорода, образующегося при диссоциации карбонатов (СаСО₃ → СаО + СО + 1/2O₂); разложении целлюлозы; диссоциации влаги покрытия (гигроскопической и конституционной).

Помимо окисления жидкого металла кислородом из атмосферы дуги окисление возможно в результате кремневосстановительного процесса, в связи с наличием в покрытии большого количества кислых окислов (ТiO₂, SiO₂). Эта реакция протекает следующим образом:

Окислы железа частично переходят в шлак, частично растворяются в жидком металле.

Концентрация восстановленного Si достигает 0,13 — 0,20%, что заметно выше, чем при сварке электродами с рудно-кислым покрытием, а содержание О₂ обычно находится на уровне 0,04 — 0,07%.

При высоких температурах перешедший из покрытия Мn и восстановленный Si не вступают в реакцию с О₂, растворенным в жидком металле. В этом случае возможна лишь реакция окисления углерода.

Поэтому развитие кремневосстановительного процесса целесообразно ограничить содержанием Si до 0,13 — 0,15%. Это обычно осуществляется введением в состав покрытия карбонатов (СаСО₃, МgС0₃), которые при плавлении покрытия разлагаются на СО₂ и окислы основного типа СаО и МgО.

Связывая в шлаке окислы кремния в прочные соединения СаО-SiO₂ или МgО-SiO₂, основные окислы понижают кислотность шлака, снижая тем самым концентрацию восстановленного кремния.

В связи с пониженным содержанием О₂ в наплавленном металле и меньшим количеством окисных включений, электроды с рутиловым покрытием по сравнению с рудно-кислым обеспечивают более высокие служебные характеристики сварных швов.

Электроды с рутиловым покрытием обладают также высокими сварочно-технологическими свойствами. Они позволяют легко сваривать не только на постоянном, но и на переменном токе, практически во всех пространственных положениях, обеспечивают хорошее формирование сварных швов, легкое отделение шлака. Важной характеристикой является их сравнительно низкая токсичность при сварке..

Перечисленные особенности рутиловых электродов сделали их незаменимыми для сварки ответственных конструкций из углеродистых и низколегированных конструкционных сталей прочностью до 490 МПа (50кгс/мм²). На базе электродов с рутиловым покрытием разработаны высокопроизводительные электроды. Для этой цели в покрытие вводят железный порошок, который, являясь дополнительным присадочным материалом, повышает коэффициент наплавки.

Электроды с целлюлозным покрытием. Покрытие электродов состоит из большого количества электродной целлюлозы— до 40—45%. Шлакообразующими являются рутил, тальк, асбест, иногда марганцевая руда или гематит. Для раскисления металла применяют ферромарганец, связующим служит натриевое или натриево-калиевое жидкое стекло.

В связи с высоким содержанием целлюлозы покрытие электродов обеспечивает мощную газовую защиту наплавленного металла, несмотря на малое значение коэффициента массы покрытия, не превышающее 20— 25%. Газы, выделяющиеся при разложении целлюлозы, содержат большое количество H₂, СО и умеренное количество О₂..

В связи с этим атмосфера дуги является слабоокислительной. При сварке целлюлозными электродами интенсивно протекает кремневосстановительный процесс. Для его частичного подавления в покрытие иногда вводят марганцевую руду МпО₂, реже гематит Fe₂O₃. С этой же целью электроды сушат при температуре около 120—130°С, что частично сохраняет влагу в покрытии и тем самым повышает его окислительный потенциал. При этих условиях наплавленный металл имеет следующий химический состав: С ≤ 0,12; Мп ≤ 0,50; Si ≤ 0,20. Если прокаливать электроды в течение длительного времени при температуре ≥170°С, то покрытие теряет чрезмерно большое количество связанной влаги, в результате чего его окислительный потенциал снижается и кремневосстановительный процесс происходит в большей степени. Одновременно с этим происходит также науглероживание наплавленного металла за счет восстановления углерода марганцем или железом из его окиси СО.

Содержание О₂ в металле швов сравнительно невелико и составляет около 0,05—0,06%. Однако в связи с наличием в металле сравнительно низкого содержания Мn и повышенного Si в швах присутствуют главным образом мелкодисперсные включения окислов кремния. Поэтому пластические свойства наплавленного металла, особенно ударная вязкость, при отрицательных температурах весьма посредственны.

Отличительной особенностью электродов является возможность выполнения сварки во всех пространственных положениях и обеспечение глубокого проплавления основного металла. Поэтому электроды с целлюлозным покрытием нашли широкое применение при сварке корневых швов при прокладке магистральных трубопроводов.

Электроды с основным покрытием. Покрытие состоит из большого количества карбонатов, главным - образом мрамора СаСОз, плавикового шпата СаF₂, небольшого количества кварца или рутила. Раскислителями являются ферротитан, ферросилиций, ферромарганец, иногда ферроалюминий. В качестве связующего применяют натриевое или натриево-калиевое жидкое стекло.

Достаточно надежная газовая защита осуществляется за счет термического разложения карбонатов по реакции CaCO₃→CaO + CO₂

Сильные раскислители (Тi, Аl, Si) начинают взаимодействовать с СО₂ еще в процессе плавления покрытия, например, по реакции с титаном: 2СО₂ + Тi = 2СО + TiO₂.

Углекислый газ, не вступивший в реакцию с раскислителями, в процессе плавления покрытия при высокой температуре сварочной дуги диссоциирует с выделением активного О₂ по реакции СО₂→СО + 1/2 0₂.

Поэтому атмосфера дуги является окислительной. При высоких температурах Si, Тi и Мn сосуществуют с О₂, растворенным в металле. По мере снижения температуры в зависимости от концентрации и вида раскислителей 0₂ вступает с ними в реакцию, образуя окислы соответствующих элементов. Обычно это бывают наиболее активные элементы — Тi и Si. Образующиеся при этом кислые окислы TiO₂ и SiO₂ имеют большое сродство к шлаку с высокой основностью, содержащему большое количество СаО. Промывая сварочную ванну, такой шлак связывает кислые окислы в прочные соединения СаО-ТiO₂ и СаО-SiO₂, очищая тем самым металл от неметаллических включений. В результате при условии соблюдения технологии изготовления и применения электродов с основным покрытием содержание О₂ в наплавленном металле составляет около 0,02 — 0,03%.

Низкое содержание О₂, а следовательно, и малое количество окисных включений обеспечивают весьма высокие пластические свойства сварных швов как при положительных, так и при отрицательных температурах. Электроды с покрытием рассматриваемого вида дают возможность сваривать практически во всех пространственных положениях с использованием постоянного тока, главным образом обратной полярности (на электроде «+»).

Высокая чистота наплавленного металла (отсутствие различных вредных включений и газов) позволяет применять эти электроды для сварки ответственных особо ответственных конструкций из углеродистых и низколегированных сталей.

Модификации электродов с основным покрытием с дополнительным легированием необходимыми элементами применяют для сварки сталей повышенной и высокой прочности, а также легированных теплоустойчивых сталей.

На базе рассматриваемого вида покрытия электродов разработаны многочисленные марки, предназначенные для сварки высоколегированных сталей, а также электроды для наплавочных работ.