Результат интеллектуальной деятельности: КЕРАМИЧЕСКИЙ ФЛЮС-ДОБАВКА

Изобретение относится к сварке, конкретно к электродуговой сварке сталей под флюсом, в частности к флюсам, предназначенным для примешивания к плавленым флюсам.

Известен, выбранный в качестве прототипа, керамический флюс-добавка, предназначенный для примешивания к плавленым флюсам, содержащий мрамор и ферросилиций в следующем процентном соотношении, мас.%: мрамор 30-70, ферросилиций - остальное [1]. В качестве связующего вещества используется водный раствор силиката натрия.

Существенными недостатками данного керамического флюса-добавки являются:

- пониженные механические свойства сварного шва, в частности ударной вязкости при отрицательных температурах, из-за высокого уровня содержания газов в сварном шве в связи с использованием для защиты окислительного углекислого газа, выделяемого при разложении мрамора, и повышенной загрязненности оксидными неметаллическими включениями;

- высокая стоимость за счет использования дорогостоящих первородных материалов (мрамора и ферросилиция), а не отходов производства;

- низкое качество сварного шва в связи с недостаточной устойчивостью горения дуги из-за пониженного содержания элементов, облегчающих горение дуги;

- повышенное содержание водорода в связи с отсутствием в составе фторсодержащих компонентов и возможности удаления водорода в виде летучих соединений.

Известны также керамические флюсы-добавки, предназначенные для примешивания к плавленым флюсам, содержащие полевой и плавиковый шпаты [2], позволяющие в результате диссоциации получать активный фтор, образующий соединение HF, удаляющее водород из сварного шва.

Существенными недостатками данных флюсов-добавок являются:

- высокая стоимость в связи с использованием дорогостоящих природных материалов и затрат, связанных с дроблением и измельчением;

- недостаточно устойчивое горение дуги из-за недостаточного количества элементов, облегчающих возбуждение и стабилизирующих горение дуги (в частности натрия и калия);

- использование только фторида кальция в качестве фторсодержащего компонента, выделяющего активный газообразный фтор при диссоциации;

- отсутствие углеродсодержащих составляющих, позволяющих проводить удаление кислорода в виде газообразных соединений СО и CO₂, не загрязняющих сварной шов оксидными неметаллическими включениями и, как следствие, повышающих механические свойства сварной конструкции.

Желаемыми техническими результатами изобретения являются:

- повышение механических свойств сварного шва, в частности ударной вязкости при отрицательных температурах, за счет снижение загрязненности стали неметаллическими оксидными включениями;

- уменьшение содержания водорода за счет введения фторсодержащих компонентов и создания дополнительной газовой защиты;

- снижение стоимости сварочного процесса за счет использования

отходов производства;

- повышение устойчивости горения дуги и качества сварного шва.

Для этого предлагается керамический флюс-добавка, предназначенный для примешивания к плавленым и керамическим флюсам, на основе жидкого стекла, который содержит пыль электрофильтров алюминиевого производства и калиево-натриевое жидкое стекло при соотношении компонентов, мас.%:

причем керамический флюс-добавка примешивается к плавленым флюсам в количестве 9,5-24%.

Заявляемые пределы подобраны эмпирическим путем исходя из качества получаемых при сварке швов, стабильности процесса сварки и требуемых механических свойств.

Введение в состав керамического флюса-добавки пыли электрофильтров алюминиевого производства связано с содержанием в составе последнего элементов позволяющих:

- проводить удаление водорода за счет комплекса фторсодержащих соединений (типа Na₂SiF₆ NaF, KF, CF_x (1≥x>0), AlF₃, Na₃AlF₆), разлагающихся при температурах сварочных процессов с выделением F, который в свою очередь взаимодействует с водородом, растворенным в стали, с образованием газообразного соединения HF;

- проводить интенсивный углеродный кип за счет образования СО и CO₂, образующихся при взаимодействии фтористого углерода CF_x(1≥x>0) с растворенным в стали кислородом, при этом в связи с тем, что углерод находится в связанном состоянии, науглероживание стали практически не происходит.

- повысить устойчивость горения дуги за счет элементов, облегчающих ионизацию в столбе дуги, - калия и натрия.

Введение калиево-натриевого жидкого стекла обусловлено, с одной стороны, использованием его в качестве связующего заявляемого керамического флюса-добавки, а с другой стороны, как материала, повышающего, за счет содержащихся калия и натрия, устойчивость горения дуги.

Для изготовления керамического флюса-добавки использовали пыль электрофильтров алюминиевого производства со следующим химическим составом, мас.%: Al₂O₃=21-46,23; F⁺=18-27; Na₂O=8-15; K₂O=0,4-6%, CaO=0,7-2,3; SiO₂=0,5-2,48; Fe₂O₃=2,1-3,27; С_общ=12,5-30,2, MnO=0,07-0,9, MgO=0,06-0,9, S=0,09-0,19, P=0,1-0,18.

Жидкое стекло: плотность при 15-25°С - 1,30-1,55 г/см³; силикатный модуль [SiO₂:(K₂O+Na₂O)·1,0323]-2,6-3,0.

Изготовление заявляемого керамического флюса-добавки проводили смешением пыли электрофильтров алюминиевого производства и калиево-натриевого жидкого стекла. Полученная смесь перемешивалась в течение 15-30 минут до получения однородной массы. Полученную смесь сушили при температуре 150-300°С в течение 20-30 мин, после чего производили помол. Далее осуществляли просев через сито (ячейка 3×3 мм). Гранулы большего размера отправлялись на перемол. Заявляемый керамический флюс-добавку примешивали к плавленому флюсу АН-348А. Технологические испытания проводили при сварке шва на образцах из стали марки 09Г2С длиной не менее 500 мм. Для сравнения проводили сварку без присадки заявляемого керамического флюса-добавки только под флюсом АН-348А. Влияние изменения химического состава компонентов с граничными, заграничными и заявляемыми пределами, а также без присадки заявляемого керамического флюса-добавки (столбец 9) на механические свойства сварного шва (предела прочности - δ_B, Н/мм², предела текучести - δ_T, Н/мм², относительного удлинения δ, %, ударной вязкости при температуре минус 40°С Дж/см², а также содержание водорода [Н], см³/100 г металла, приведено в таблице.

Использование заявляемой смеси по сравнению с базовой (прототип) позволяет:

1. Повысить ударную вязкость сварного шва в среднем на 35 Дж/см² за счет снижения загрязненности стали неметаллическими включениями.

2. Уменьшить содержание водорода за счет введения фторсодержащих компонентов и создания дополнительной газовой защиты в среднем на 0,4 см³/100 г металла.

3. Снизить стоимость сварочного процесса за счет использования отходов производства на 24,87 руб/т.

4. Улучшить формирование шва при сварке за счет стабилизации горения дуги.

Литература

1. A.c. СССР 173588 В23к.

2. Б.П.Конищев, С.А.Курланов, Н.Н.Потапов, В.Д.Ходаков. Сварочные материалы для дуговой сварки: справочное пособие. - М.: Машиностроение, 1989. - т.1 - 544 с.