Влияние вида покрытия на качество наплавленного металла

Раскисление наплавленного металла одним или несколькими раскислителями снижает содержание кислорода, растворенного в жидком металле перед его кристаллизацией. Однако для обеспече­ния высоких пластических свойств металла шва необходимо не только снизить концентрацию остаточного кислорода, но и воз­можно полнее уменьшить количество продуктов раскисления, ос­тающихся в сварочных 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 оксидных 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 состоянии непрерывного конвективного переме­шивания, такое рафинирование металла шва может быть осуществ­лено в значительной степени при условии совместного подбора раскислителей и шлаковой системы, т. е. рецептуры покрытия электродов.

Рассмотрим образование и химический состав оксидных вклю­чений и их взаимодействие со шлаком при сварке электродами с разными видами покрытий. (Отметим, что подразделение покры­тий по видам, хотя и нормировано стандартом, является весьма приближенным).

Электроды с кислым покрытием. Покрытие состоит из большо­го количества оксидов железа (Fe203) или марганца (Мп02) и раз­личных силикатов с высоким содержанием Si02, в результате чего обладает высоким окислительным потенциалом. В покрытии мо­жет присутствовать также ильменит или титановый концентрат. Раскислителем обычно является ферромарганец. Для газовой защиты вводят электродную целлюлозу (до 5%).

Шлак, образующийся при плавлении электрода, содержит боль­шое количество оксидов железа. Поэтому окисление плавящегося металла при высокой температуре осуществляется как за счет ат­мосферы дуги, так и за счет кислорода, переходящего из шлака.

Применяемый в качестве раскислителя марганец начинает окисляться в плавящемся покрытии при взаимодействрш с оксида­ми железа и частично — за счет кислорода атмосферы дуги. В жид­кий металл марганец переходит в весьма умеренном количестве.

При высокой температуре обычно происходит восстановление из Si02 небольшого количества кремния (0,07-0,12%) по реакции Si02 + 2Мп = 2МпО + Si (кремневосстановительный процесс). При этом марганец и кремний сосуществуют с кислородом, не взаимо­действуя с ним. Может протекать только реакция между углеродом и кислородом с образованием оксида углерода (СО).

В хвостовой части ванны, имеющей сравнительно низкую тем­пературу, восстановленный кремний и марганец, перешедший из покрытия, вступают в реакцию с кислородом, растворенным в жид­ком металле. В результате образуются мелкодисперсные включе­ния Si02 и МпО, которые частично могут образовать между собой химическое соединение Mn0-Si02 с температурой плавления 1285 °С. Такие соединения способны укрупняться за счет слияния нескольких молекул, и наплавленный металл оказывается значи­тельно загрязненным как крупными, так и мелкодисперсными включениями.

О количестве включений в наплавленном металле можно су­дить по содержанию кислорода в сварных швах, которое составляет 0,10-0,15%. При комнатной температуре кислород не растворяется в железе и может находиться только в виде оксидов Si02, FeO и МпО. Следует отметить, что крупные включения могут иметь экзогенное происхождение, так как заносятся в жидкий металл из шлака. На­личие включений, особенно мелкодисперсных, существенно сни­жает служебные характеристики сварных швов, в первую очередь, значения ударной вязкости при низких температурах. Кроме того, металл шва склонен к образованию кристаллизационных трещин.

Технологически электроды при сварке характеризуются мелко­капельным переносом и формированием плоских и гладких свар­ных швов.

Электроды с рутиловым покрытием. Покрытие состоит из большого количества рутила (с содержанием ТЮ2 примерно 95%), алюмосиликатов (калиевая слюда, каолин, полевой шпат), умерен - ного количества карбонатов (мрамор, магнезит). Раскислителем служит ферромарганец. Газовая защита, помимо карбонатов, осу­ществляется целлюлозой, вводимой в покрытие электродов (до 4-5%). В качестве связующего применяют калиево-натриевое или натриево-калиевое жидкое стекло. Атмосфера дуги является срав­нительно слабо окислительной за счет кислорода, образующегося при диссоциации карбонатов СаС03—>Са04-С0 + 1/2 02, разло­жении целлюлозы и при диссоциации влаги покрытия (гигроско­пической и конституционной).

Помимо окисления жидкого металла кислородом из атмосферы дуги, окисление происходит в результате кремневосстановительно­го процесса, возможного при наличии в покрытии большого коли­чества кислых оксидов (ТЮ2, Si02). Восстановление кремния про­текает при высоких температурах за счет марганца, находящегося в покрытии, а также за счет восстановления его железом по реакции Si02 + 2Fe = Si + 2FeO. Оксиды железа частично переходят в шлак, частично растворяются в жидком металле.

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

При высоких температурах перешедший из покрытия марганец и восстановленный кремний не вступают в реакцию с кислородом, растворенным в жидком металле; возможна лишь реакция окисле­ния углерода. По мере понижения температуры такие реакции на­чинаются. При высокой концентрации восстановленного кремния (Si>0,20%) и пониженном содержании марганца (Мп<0,5%) в швах будут находиться, главным образом, мелкодисперсные включения оксидов кремния, отрицательно влияющие на пластические свой­ства швов. Поэтому развитие кремневосстановительного процесса целесообразно ограничить содержанием кремния до 0,13-0,15%. Это обычно осуществляют введением в состав покрытия карбона­тов (CaC03, MgC03), которые при плавлении покрытия разлага­ются на углекислый газ и оксиды основного типа СаО и MgO.

Связывая в шлаке оксиды кремния в прочные соединения Ca0-Si02 или Mg0Si02, основные оксиды понижают кислотность шлака, снижая тем самым концентрацию восстановленного крем­ния. Если при этом содержание марганца в наплавленном металле будет находиться на уровне 0,6%, то при снижении температуры хвостовой части сварочной ванны в ней одновременно будут обра­зовываться как оксиды кремния, так и оксиды марганца, которые,

соединяясь, дают легкоплавкое соединение Si02-Mn0. Соединения такого типа способны коагулировать (укрупняться), приобретая сферическую форму, что снижает вредное влияние неметалличес­ких включений.

В связи с пониженным содержанием кислорода в наплавленном металле и меньшим количеством оксидных включений электроды с рутиловым покрытием обеспечивают более высокие служебные ха­рактеристики сварных швов по сравнению с электродами с кислым покрытием.

Электроды с рутиловым покрытием обладают высокими сва- рочно-технологическими свойствами. Они позволяют легко выпол­нять сварку 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. В настоящее время рутиловые покрытия исполь­зуют и в высоколегированных электродах.

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 электродов. Другой разновидностью высокопроизводительных электродов яв­ляются рутиловые с толстым покрытием при соотношении D/d > 1,6. Их отличает легкое возбуждение дуги и мелкочешуйча­тые шры благоприятной формы.

Электроды с целлюлозным покрытием. Покрытие таких элект­родов содержит значительное количество электродной целлюлозы, доходящее до 40 45%. В качестве шлакообразующих используют рутил, тальк, иногда марганцевую руду или гематит. Раньше широ­ко использовали асбест, исключенный затем по санитарно-гигие­ническим показателям[2]. Для раскисления металла применяют фер­ромарганец, связующим служит натриевое или натриево-калиевое жидкое стекло. Высокое содержание целлюлозы в покрытии элект­родов обеспечивает мощную газовую защиту наплавляемого метал­ла даже при малом значении коэффициента массы покрытия, не превышающего 20-25%.

Газы, выделяющиеся при разложении целлюлозы, содержат большое количество водорода, оксида углерода и умеренное коли­чество кислорода. В связи с этим атмосфера дуги является слабо­окислительной.

В состав покрытия входит большое количество кислых оксидов, поэтому при сварке наблюдается существенное развитие кремне­восстановительного процесса. Для его частичного подавления в по­крытие иногда вводят марганцевую руду (Мп02), реже — гематит (Fe203). Прокалку электродов производят 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 прокалку электродов произ­водить 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 проходит в большей степени. Одно­временно с этим происходит также науглероживание наплавленно­го металла за счет восстановления углерода марганцем или желе­зом из его оксида СО.

Содержание кислорода в металле швов сравнительно невелико и составляет около 0,05-0,06%. Однако из-за сравнительно низкого содержания марганца и повышенного содержания кремния в метал­ле швов присутствуют, главным образом, мелкодисперсные включе­ния оксидов кремния. Поэтому пластические свойства наплавлен­ного металла, особенно ударная вязкость, весьма посредственны.

Отличительной особенностью электродов является возмож­ность выполнения сварки во всех пространственных положениях с высокой линейной скоростью и обеспечение глубокого проплавле­ния основного металла с формированием с обратной стороны шва плавного валика. Поэтому электроды с целлюлозным покрытием нашли широкое применение для сварки корневых швов стыков ма­гистральных трубопроводов. К недостаткам таких электродов отно­сят грубочешуйчатую поверхность швов, склонность к подрезам по свариваемым кромкам, повышенные потери на разбрызгивание, высокое содержание водорода в металле шва.

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

Достаточно надежная газовая защита осуществляется за счет тер­мического разложения карбонатов по реакции СаС03—>Са0+С02.

Сильные раскислители (титан, алюминий, кремний) начинают взаимодействовать с углекислым газом еще в процессе плавления покрытия, например, по реакции с титаном 2С02 + Ті = 2С0 +ТЮ2. Углекислый газ, не вступивший в реакцию с раскислителями, в процессе плавления покрытия при высокой температуре сварочной дуги диссоциирует с выделением активного кислорода по реакции С02—»С0 + 1/2 02. Поэтому атмосфера дуги является окисли­тельной.

При высоких температурах кремний, титан и марганец сосуще­ствуют с кислородом, растворенным в металле. По мере снижения температуры в зависимости от концентрации и вида раскислителей кислород вступает с ними в реакцию, образуя оксиды соответству­ющих элементов. Обычно это бывают наиболее активные элемен­ты: титан и кремний. Образующиеся при этом кислые оксиды ТЮ2 и Si02 имеют большое сродство к шлаку с высокой основностью, содержащему значительное количество СаО.

Промывая сварочную ванну, такой шлак связывает кислые ок­сиды в прочные соединения СаОТЮ2 и Ca0-Si02, очищая тем са­мым металл от неметаллических включений. В результате, при ус­ловии соблюдения технологии изготовления и применения элект­родов с основным покрытием, содержание кислорода в наплавлен­ном металле составляет около 0,02-0,03%.

Низкое содержание кислорода, а следовательно, малое количе­ство оксидных включений, обеспечивает весьма высокие пластиче­ские свойства сварных швов как при положительных, так и при от­рицательных температурах. Другим важнейшим преимуществом электродов с основным покрытием является наибольшая среди по­крытий всех видов стойкость металла шва против образования тре­щин. Необходимо учесть, что это обеспечивается только при при­менении электродов с низким содержанием влаги в покрытии. По­следнее достижимо при строгом соблюдении предписанной техно­логии изготовления электродов, особенно в части применяемых пластификаторов и режимов термообработки электродов.

Электроды с покрытием рассматриваемого вида дают возмож­ность выполнять сварку практически во всех пространственных положениях с использованием постоянного тока, главным образом, при обратной полярности (на электроде «+»).

Высокая чистота наплавленного металла по различным вред­ным включениям и газам позволяет применять эти электроды для сварки ответственных и особо ответственных конструкций из угле­родистых и низколегированных сталей. Электроды с дополнитель­ным легированием необходимыми элементами через покрытие применяют для сварки сталей повышенной и высокой прочности, легированных теплоустойчивых сталей, для наплавочных работ.

На базе основных покрытий разработаны многочисленные мар­ки электродов для сварки высоколегированных сталей и сплавов.

Электроды с основным покрытием не лишены недостатков, к которым относят невысокую технологичность, особенно в услови-

ях поточного производства; чувствительность к порообразованию при сварке, требующую особой тщательности при их хранении, транспортировке, подготовке к использованию, безусловного вы­полнения предписаний по чистоте и влажности свариваемых кро­мок; сложность при сварке на переменном токе.

Показатели, характеризующие свойства металла шва, выполня­емого электродами общего назначения с покрытиями разных ви­дов, приведены в табл. 16-19 [9].