Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Оборудование и технология сварочного производства»

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ

СОСТАВА МЕТАЛЛА ПРИ ДУГОВОЙ СВАРКЕ

ПОКРЫТЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ

Методические указания к лабораторной работе 6

по курсам «Физико-математические основы сварочных процессов»,

«Теория сварочных процессов»

для студентов специальностей 150202, 150401, 170102

всех форм обучения

Нижний Новгород

2007

Составители: Б.П. Конищев, и.н. Кормушкина

УДК 621.791

Определение изменения состава металла при дуговой сварке покрытыми электродами: метод. указания к лаб. работе 6 по курсам «Физико-математические основы сварочных процессов», «Теория сварочных процессов» для студентов специальностей 150202, 150401, 170102 всех форм обучения / НГТУ; сост.: Б.П. Конищев, И.Н. Кормушкина. Н. Новгород, 2007.-12 с.

Приводится методика экспериментального определения и расчета изменения концентрации марганца, кремния и др. элементов в результате взаимодействия электродных покрытий с металлом при дуговой сварке.

Редактор Э.Б. Абросимова

Подписано в печать 02.07.

Формат 60х84 1/16. Бумага газетная. Печать офсетная. Усл. печ.л. 0,75

Уч.-изд.л. 0,5 Тираж экз. Заказ .

Нижегородский государственный технический университет.

Типография НГТУ. 603950, Н.Новгород, ул. Минина, 24.

©Нижегородский государственный

технический университет, 2007

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ - экспериментальное определение и расчет изменения концентраций марганца и кремния в результате взаимодействия электродных покрытий с металлом при сварке.

2. Теоретическая часть

Электродные покрытия состоят из целого ряда компонентов, играющих, различную роль в металлургических процессах сварки.

1. Шлакообразующие компоненты, составляющие основу многих покрытий, обеспечивают шлаковую защиту от воздуха и металлургическую обработку металла при сварке. В качестве шлакообразующих применяют карбонаты: мрамор или мел CaCО₃, магнезит MgСO₃ и др.; флюорит или плавиковый шпат СаF₂; железную и марганцевую руду: гематит Fe₂O₃, пиролюзит МnО₂ и др.; рутил TiO₂ и титанаты: ильменит FeO TiO₂, перовскит СаО TiО₂ и др.; глинозем Al₂O₃ и кремнезем или кварцевый песок SiО₂; силикаты и алюмосиликаты: тальк ЗМgO 4SiO₂ H₂O, каолин Al₂O₃ 2SiO₂ 2H₂O , полевой шпат K₂O 3Al₂O₃ 6SiO₂, слюда мусковит K₂O 3Al₂O₃ 6SiO₂ 2Н₂О, гранит 2K₂O 5Al₂O₃ 33SiO₂ и др.

2. Газообразующие компоненты обеспечивают газовую защиту металла от воздуха, взаимодействуют с металлом, изменяя его состав. Они подразделяются на две подгруппы: минеральные (карбонаты - мрамор CaCО₃ , магнезит MgСО₃ и др., а также высшие оксиды – гематит Fe₂O₃ , пиролюзит МnО₂ и др.) и органические [С₆(Н₂О)₅]_n(целлюлоза, лигнин, древесные опилки, декстрин, крахмал и др.).

3. Стабилизирующие компонентывводятся для повышения стабильности горения дуги в электродные покрытия, содержащие фтор или другие дестабилизаторы дуги. Они содержат элементы с низким потенциалом ионизации: щелочные металлы (К,Na,Cs,Rb) или щелочно-земельные (Са,Mg,Bа,Sr). Чаще применяют мpaмopили мелCaCО₃, магнезитMgCO₃, реже витеритBаCО₃. Лучший эффект дают поташ К₂СО₃, селитра калиевая КNО₃, хромпикK₂Cr₂O₇, сода кальцинированнаяNa₂CO₃и др. соли щелочных металлов.

4. Раскисляющие компонентысодержат элементы, обладающие большей химической активностью к кислороду по сравнений с железом. Чаще они применяются в виде ферросплавов (ферромарганцаFeMn, ферросилицияFeSi, ферротитанаFeTiи др.), порошков металлов (Аl, Мnи др.), иногда комплексных сплавов (силикомарганца, силикокальция и др.) и реже в виде графита (углерода).

5. Легирующие компонентывводятся для получения необходимого химического состава металла шва, механических и специальных свойств (теплостойкости, коррозионной стойкости, износостойкости и др.). Они вводятся в виде ферросплавов, металлических порошков и комплексных сплавов (лигатур).

6. Железный порошок вводится в некоторые покрытия (до 60 % массы) для повышения производительности сварки (коэффициента наплавки _н с 8-9 до 10-18 г/Ач).

7. Красящие компоненты (пигменты) применяются для получения электродов с отличительным цветом покрытия, что исключает случайное перепутывание марок электродов при сварке высоколегированных сталей. При введении 0,5 % железного сурика Fe₂O₃ покрытие имеет бежевый цвет, а 2 % - коричневый, при 3 % оксида хрома Cr₂O₃ – зеленый, а 3 % специального пигмента - голубой.

7. Пластифицирующие (формующие) компоненты служат для повышения пластичности обмазочной массы в процессе опрессовки (нанесения покрытия на стержень). К ним относятся бентонит 2Al₂O₃ 15SiO₂, каолин 2Al₂O₃ 2SiO₂ 2Н₂О, слюда К₂О 3Al₂O₃ 6SiO₂ 2H₂O, тальк 3MgO 4SiO₂ H₂O, целлюлоза, декстрин и др. вещества.

9. Связующие (клеящие, цементирующие) компоненты обычно представляют собой калиевое или натриевое жидкое стекло (силикатный клей): Na₂O m SiO₂ n H₂O или K₂O m SiO₂ n H₂O. Для улучшения клеящих свойств в покрытие добавляют декстрин и крахмал. Для уменьшения окисления легирующих элементов в покрытиях для сварки высоколегированных сталей вместо силиката используют алюминат натрия Na₂O nAl₂O₃ m Н₂О. В электродах с пластмассовым покрытием ВСП-1, ВСП-2 в качестве связующего применяется бакелитовый лак.

Многие составляющие покрытий выполняют одновременно несколько функций. Например, мрамор СаСО₃ и поташ К₂CО₃ являются шлакообразующими, газообразующими и стабилизирующими компонентами; полевой шпат, слюда, жидкое стекло - шлакообразующими и стабилизирующими, кроме того слюда - пластифицирующим, жидкое стекло - связующим; многие ферросплавы - раскислителями и легирующими.

Защитные свойства покрытия существенно зависят от его количества (толщины). Согласно ГОСТ 9466-75 электроды подразделяются по толщине покрытия в зависимости от отношения D/d (табл.1), где d - диаметр стержня, D - наружный диаметр покрытия.

При рассмотрении металлургических процессов сварки важной характеристикой является коэффициент массы покрытия К_п = m_п/m_с

К_п=m_п/m_с– коэффициент покрытия

m_п– масса покрытия

m_с– масса стержня

Таблица 1

Индекс	М	С	Д	Г
Покрытие D/d	тонкое менее 1,2	среднее 1,2-1,45	толстое 1,45-1,8	особо толстое более 1,8

По составу и металлургическим свойствам электродные покрытия согласно ГОСТ 9466-75 подразделяются на следующие виды: кислое - индекс А, основное - Б, целлюлозное - Ц, рутиловое - Р. Это соответствует международной классификации: кислое - А, основное - В, целлюлозное - С, рутиловое - R.

Основу кислых покрытий составляют шлакообразующие компоненты, состоящие из оксидов Fe , Mn и Si. Обычно применяют гематит Fe₂О₃, пиролюзит МnO₂, кварцевый песок или алюмосиликаты (гранит, полевой шпат), иногда ильменит FеО TiO₂. Газообразующими являются органические вещества (целлюлоза, крахмал, декстрин и др.). В качестве раскислителя и легирующего компонента применяют ферромарганец. Применение электродов с кислым покрытием ЦМ-7, ОММ-5, МЭЗ-04, ЦЛ-6, ЦЛ-14 в настоящее время весьма ограниченно из-за токсичности и низких механических свойств.

Основные покрытия не содержат оксидов Fе и Mn. Шлакообразующую основу этих покрытий составляют обычно мрамор СаCО₃ и плавиковый шпат (флюорит) СаF₂. Дополнительно вводится небольшое количество алюмосиликатов и TiО₂. Применяются минеральные газообразующие: обычно мрамор CaCO₃ и дополнительно иногда поташ К₂СО₃, сода кальцинированная Na₂CO₃, которые являются также стабилизирующими компонентами. В качестве раскислителей - FeMn, FeSi, FeTi, Аl и др., а в качестве легирующих - ферросплавы или порошки различных элементов, (в зависимости от требуемого химического состава металла шва). В некоторые покрытия вводят красители. Это наиболее распространенный вид покрытия, который имеют электроды УОНИ-13/45,УОНИ-13/55, УОНИ-13/65, AHO-11, ТМУ-21У, ТМЛ-1У, ДСК-50, О3C-I8, НИАТ-5, ОЗЛ-3, ОЗЛ-8, ЦЛ-9, ЦЛ-11, ЦТ-15, КТИ-7А, АНЖР-1, ЭА-395/9, ЭА-400/10У и др. Состав покрытий электродов УОНИ-13/45 и ЦЛ-11 приведен в табл.2.

Таблица 2

Наименование		Содержание, %
		УОНИ-13/45	ЦЛ-11	МР-3
	Мрамор СаСО3	53	36	18
	Плавиковый шпат CaF2	18	40	-
	Рутил TiO2	-	5	50
	Кварцевый песок SiO2	9	-	-
	Тальк 3MgO 4SiO2 H2O	-	-	10
	Каолин 2Al2O3 2SiO2 2Н2О	-	-	5
	Целлюлоза [C6(H2O)5]n	-	-	1,5
	Ферромарганец FеMn	2	4	15,5
	Ферросилиций FeSi	3	-	-
	Ферротитан FeТi	15	3	-
	Феррониобий FеNb	-	3	-
	Хром металлический Сr	-	9	-
	Жидкое стекло (к массе шихты): натриевое Na2O mSiO2 nH2O	30	30	-
	калиево-натриевое K2O Na2O mSiO2 nH2O	-	-	30
	Стержень	Св-08	СВ-08Х18Н10Б	Св-08
	Кп =100 mп/mс, %	33-48	29-34	35-42

Рутиловые покрытия построены на шлакообразующей основе, состоящей из рутила ТiО₂ или его заместителей - титанатов: ильменита FeO TiO₂, перовскита CaO TiO₂ и др. Дополнительно вводятся алюмосиликаты (каолин, полевой шпат, слюда и др.) и карбонаты. (СаСО₃ ,MgСО₃ и др.). Для создания газовой защиты в покрытие одновременно вводят минеральные (СаСО₃, МgСО₃) и органические вещества (целлюлоза, декстрин, крахмал). В качестве раскислителя и легирующего компонента применяют FeMn, иногда силикомарганец. В некоторые покрытия вводят железный порошок. Это тоже распространенный вид покрытия, который имеют электроды МР-3, АНО-4, AH0-I4, AH0-I8, ОЗС-6, 03C-12, ЦМ-9 и др. Состав покрытия электрода МР-3 приведен в табл. 2.

Целлюлозные покрытия в отличие от предыдущих при плавлении дают мало шлака, но выделяют очень много газов, так как основу этих покрытий составляет целлюлоза или другие органические газообразующие компоненты. Кроме них, в покрытие вводят небольшое количество оксидов Fе, Мn и Ti, а для раскисления и легирования - FeMn и FeSi. Коэффициент массы покрытий К_п=0,1-0,15. Типичными представителями электродов с этим типом покрытия являются ОМА-2, ВСЦ-1, ВСЦ-2, ВСЦ-3, ВСЦ-4, ВСЦ-4А, ВСЦ-60, ВСП-1, ВСП-2.

Металлургические процессы при дуговой сварке покрытым электродом характеризуется малыми количествами реагирующих веществ, кратковременностью и высокими температурами взаимодействия фаз. От характера и интенсивности металлургических реакций существенно зависит химический состав, а следовательно, и механические свойства металла шва.

При нагреве электрода в твердом покрытии уже происходит разложение или сгорание органических веществ, диссоциация карбонатов и высших оксидов, окисление ферросплавов. Так, диссоциация магнезита начинается уже при температуре около 430°С, а мрамора - около 540°С, диссоциация MnO₂ начинается при температуре 470°С:

MgCO₃=MgO+CO₂

CaCO₃=CaO+CO₂

2MnO₂=2MnO+O₂

Органические компоненты начинают разлагаться еще при более низких температурах (около 200°С). При наличии окислителей в покрытии органические вещества сгорают, образуя газовые смеси, состоящие в основном из СО₂, СО, H₂О и Н₂:

Состав газовой фазы, образующейся при сварке электродами с различными покрытиями приводится в табл. 3 (ГК - газообразующие компоненты; ОГ - органические газообразующие; МГ - минеральные газообразующие).

Таблица 3

Вид покрытия	ГК	Состав газовой фазы, %				Содержание в шве
		СО	Н2	СО2	Н2О	[О]ш, %	[Н]ш 10-2, см3/г
А	ОГ	47,6	39,0	4,7	6,2	0,09-0,12	до 0,15
Б	МГ	62,9	5,2	20,4	10,5	0,03-0,05	до 0,04
Р	МГ, ОГ	50,7	37,7	5,9	5,7	0,08-0,09	до 0,3
Ц	ОГ	42,1	51,2	1,1	5,6	0,02-0,03	до 0,25

Помимо этих газов, в атмосфере дуги всегда имеются азот и кислород воздуха, количество которых в основном определяется эффективностью газовой защиты. Кроме того, содержание кислорода в газовой фазе возрастает с повышением температуры в результате диссоциации высших оксидов и углекислого газа.

Поэтому надежность защиты металла от воздуха оценивается содержанием азота в шве. С увеличением толщины покрытия улучшается газошлаковая защита от воздуха и снижается содержание азота в шве.

Наибольшее количество СО₂ и Н₂О образуется при плавлении основных покрытий и меньше - рутиловых. В столбе дуги при высоких температурах СО₂ и Н₂О диссоциирует на кислород, который окисляет железо и другие элементы:

СО2 = СО+0,5О2				H2О = H2+0,5О2
+				+
	Fe+0,5O2 = [FeO]				Fe+0,5O2 = [FeO]
CO2+Fe = [FeO]+CO				H2О +Fe = [FeO]+Н2

Аналогично можно получить суммарные реакции окисления марганца и кремния:

СО2 +[Mn]= (MnO)+СО,	H2О +[Mn]= (MnO)+H2
2CO2+[Si] = (SiO2)+2CO	2H2О +[Si] = (SiO2)+2Н2

При плавлении электродных покрытий образуются сварочные шлаки, состав которых зависит от вида и состава покрытия (табл.4).

Таблица 4

Вид покрытия	Состав, %									В
	SiO2	TiO2	Al2O3	CaO	MgO	MnO	FeO	Na2O	CaF2
А	37,2	-	3,0	1,7	-	30,0	19,0	4	-	0,7
Б	15,0	9,0	-	27,0	-	5,0	4,0	4	34	2,7
Р	27,0	43,2	6,0	0,3	2,2	14,7	3,7	3	-	0,3
Ц	18,8	29,0	2,0	2,0	7,0	15,0	8,2	8	-	0,9

Химическое взаимодействие расплавленного шлака с металлом в значительной степени определяется соотношением в его составе основных, кислых, и амфотерных оксидов. Критерий основности (В) или кислотности (К) шлака определяется по уточненной формуле МИС (Международного института сварки):

При В<1 шлак считается кислым, В>1 - основным, В=1 - нейтральным. В табл. 4 приведены значения критерия В для различных видов покрытий. Шлак основного покрытия Б имеет В>1, кислого покрытия А имеет В<1, рутилового покрытия Р еще более кислый, так как В=0,3, а целлюлозного покрытия Ц наоборот малокислый (В=0,9) и близок к нейтральному.

Шлак основных покрытий практически не окисляет железо и легирующие элементы, так как очень мало содержит оксидов Fe, Mn и Si. Кроме того, высокая основность шлака (большое содержание СаО) снижает активность SiO₂ в шлаке, связывая его в комплексное соединение (силикат кальция):

(СаО)+(SiO₂)=(CaSiO₃)

Шлак рутиловых покрытий содержит большое количество SiO₂, a большая кислотность шлака увеличивает химическую активность SiO₂, что способствует окислению железа и легирующих элементов (Мn и др.):

(SiO₂)+2[Fe]=2[FeO]+[Si] (SiO₂)+2[Mn]=2(MnO)+[Si]

Марганец, и особенно кремний, вводимые в покрытие в виде ферросплавов, являются активными раскислителями:

[Mn]+[FeO]=[Fe]+(MnO) [Si]+2[FeO]=2[Fe]+(SiO₂)