Электроды с кислым покрытием (вид А по ГОСТ 9466—75, марки СМ-5, ЦМ-7, МЭЗ-04). Основу шлака кислого покрытия составляют руды железа и марганца (гематит, марганцевая руда), и также алюмосиликаты (гранит, полевой шпат). Газовая защита обеспечивается за счет использования органических составляющих. Для раскисления шлака и металла сварочной ванны в покрытия вводят ферромарганец.
Наиболее полно вопросы металлургии сварки изучены для электродов ЦМ-7. Состав покрытия электродов ЦМ-7: 33 % гематита; 32 % гранита; 30 % ферромарганца среднеуглеродитого; 5 % крахмала; жидкого стекла 25—30 % массы сухой шихты. Электродный стержень — низкоуглеродистая проволока Св-08 А и Св-08 (ГОСТ 2246—70).
Образующийся при сварке углеродистых сталей электродами ЦМ-7 шлак содержит большое количество оксидов марганца и железа (табл. 6.1), а газовая фаза характеризуется относительно высоким содержанием водорода и оксида углерода (табл. 6.2).
Таблица 6.1. Химический состав шлаков, образующихся при сварке низкоуглеродистой стали электродами различных марок, %
Вид покрытия, |
SiO2 |
TiO2 |
Al2O3 |
СаО |
МnО |
FeO |
MgO |
Na2O |
Другие |
Основность |
Кислое, ЦМ-7 |
37,2 |
— |
3,1 |
1,6 |
29,8 |
15,9 |
— |
4,0 |
3 |
1,37 |
Основное, ЦУ-1 |
26,4 |
3,1 |
10,1 |
43,5 |
4,3 |
2 |
— |
2,6 |
9,5 CaF2 |
1,78 |
Рутиловое, ЦМ-9 |
27,2 |
43,2 |
5,2 |
0,3 |
14,7 |
3,7 |
2,2 |
3 |
2,2 MgO |
0,34 |
*Содержание серы и фосфора каждого не более 0,016%.
** BL =
∑RO/(SiО2 + .ТiO2), ∑RO — сумма основных оксидов.
Таблица 6.2. Состав газов, выделяющихся при сварке электродами, % об.
Вид покрытия, марка электрода |
СО |
СО2 |
Н2 |
Н2О |
О2 |
СnHm |
Кислое, ЦМ-7 |
47,6 |
4,7 |
39 |
6 2 |
0 6 |
1,9 |
Основное, ЦУ-1 |
62,9 |
20,4 |
5,2 |
10,5 |
0,2 |
0,8 |
Шлаки и газы, формирующиеся при сварке электродами с кислым покрытием, обеспечивают достаточную защиту металла сварочной ванны от атмосферы воздуха; содержание азота в металле шва не превышает 0,02 % (табл. 6.3). По своему составу (табл. 6.4) металл шва представляет собой полуспокойную сталь с повышенным, по сравнению с исходной концентрацией, содержанием кислорода и азота. Содержание водорода в металле шва 20—25 см3/100 г металла.
Таблица 6.3. Содержание кислорода и азота в металле шва при сварке низкоуглеродистых сталей электродами различных марок
Анализируемый |
Марка |
Кислород, % |
Азот, % | |
общий |
в виде FeO | |||
Проволока Св-08 |
- |
0,020 |
- |
0,004 |
Таблица 6.4. Химический состав и механические свойства металла шва
Марка |
Химический состав, % (основа - железо) |
Механические свойства | ||||||
С |
Si |
Mn |
σт,МПа |
Σв,МПа |
Σ, % |
KCU,МДж/м2 | ||
+ 20ºС |
- 40ºС | |||||||
ЦМ-7 |
0,10 |
0,03 |
0,50 |
360 |
480 |
22 |
1,0 |
0,4 |
СМ-5 |
0,12 |
0,05 |
0,75 |
320 |
460 |
25 |
1,2 |
0,8 |
УОНИ-13/45 |
0,10 |
0,25 |
0,65 |
360 |
480 |
28 |
2,2. |
1,6 |
СМ-11 |
0,10 |
0,20 |
0,65 |
360 |
480 |
28 |
2,2 |
1,6 |
ЦУ-1 |
0,10 |
0,42 |
1,21 |
360 |
520 |
28 |
2,3 |
— |
АНО-5 |
0,08 |
0,12 |
0,70 |
350 |
470 |
25 |
1,4 |
0,8 |
АНО-З |
0,08 |
0,10 |
0,70 |
380 |
480 |
25 |
1,5 |
1,0 |
ОЗС-4 |
0,10 |
0,25 |
0,55 |
390 |
480 |
23 |
1,2 |
0,8 |
ЦМ-9 |
0,12 |
0,25 |
0,60 |
420 |
520 |
23 |
1,1 |
— |
ОМА-2 |
0,12 |
0,12 |
0,30 |
— |
460 |
19 |
— |
— |
ВСЦ-2 |
0,10 |
0,20 |
0,45 |
370 |
470 |
28 |
0,9 |
— |
Примечание. Содержание серы и фосфора в зависимости от марки электрода каждого не более 0,03—0,05 %.
Повышенная окисленность металла шва при сварке электродами с кислым покрытием обусловлена наличием в покрытии руд. Например, в покрытии электродов ЦМ-7 — гематита, который в процессе нагрева диссоциирует по реакции
6Fe2О3 →4Fe3О4 + О2
(упругость диссоциации Fe2О3 при температуре 1383 °С составляет 21 кПа, а при 1452 °С — 100 кПа.
Образующийся киелород окисляет ферромарганец покрытия:
2Mn + О2 = 2MnO; 3Fe + 2О2 = Fe3О4.
При расплавлении покрытия в процессе формирования шлака развиваются также реакции непосредетвенного взаимодействия Fe3О4 в Мn:
[Мп] + (Fe3О4) = (МnО) + 3 (FeO);
[Мn]
+ (FeO) = (MnO) + [Fe ].
В результате развития этих реакций значительная часть марганца окисляется и переходит в шлак, чатсь его теряется вследствие испарения.
Образующийся монооксид железа перераспределяется между шлаком и металлом сварочной ванны, вследствие чего концентрация кислорода в металле возрастает.
Содержание оксидов железа в шлаке электродов ЦМ-7 ниже стехиометрического состава соединения FeO·SiO2. Это значительно снижает активность оксидов железа в шлаке и, как следствие, понижает чувствительность покрытий к различного рода кислородосодержащим загрязнениям на свариваемых кромках (ржавчине, окалине). Возможность получения качественного соединения при небольшом содержании ржавчины в стыке — преимущество электродов с кислым покрытием. Благодаря наличию оксидов железа шлак хорошо покрывает капли электродного металла и сварочную ванну (оксиды железа снижают межфазные натяжение на границе шлак-металл).
Поэтому при удалении дуги, когда ухудшается газовая защита, шлаки обеспечивают хорошую защиту расплавленного металла от воздуха и, в частности, от азота. Что снижает вероятность образования пор из-за азота. При сварке электродами этого типа в металле шва наблюдается некоторое повышение концентрации кремния. Последнее обусловлено развитием кремневосстановительного процесса [реакция (6.3.)]. Повышение концентрации марганца, по-видимому, частично связано с непосредственным его переходом в сварочну ванну, частично в развитием марганцевосстановительного процесса [реакция (6.4)]. Повышение концентрации кремния позв ляет предотвратить развитие реакции окисления углерода и тем самым образование пор из-за выделения оксида углерода [peaкция (6.1)].
Металл шва, полученный электродами с кислым покрытием, склонен к образованию горячих трещин, что в известной не связано о повышенным содержанием кислорода, благодаря че увеличивается температурный интервал хрупкости. Несмотря на отрицательное влияние кислорода, более полное раскисление металла шва за счет введения в покрытие более энергичных раскислителей (кремния, алюминия) может способствовать бол интенсивному переходу в сварочную ванну водорода. А это при наличии в газовой фазе значительной концентрации водорода может привести к образованию пор из-за водорода. Подобное действие кремния обусловлено тем, что на стадии нагрева кремний обеспечивая хорошее раскисление металла, создает предпосылки для растворения водорода. Кроме того, кремний, являясь поверхностно-активным элементом, замедляет десорбцию водорода, затягивая этот процесс до момента кристаллизации, что повышает вероятность образования пор. По этой причине при сварке элек родами с кислым покрытием образуются поры при сварке стале спокойных плавок с высоким содержанием кремния.
Электроды с кислым покрытием используют для сварки только низкоуглеродистых сталей кипящих и полуспокойных плавок. Они обеспечивают высокие прочностные и достаточно высокие пластические свойства металла шва (см. табл. 6.4). После сварки ударная вязкость металла шва достигает 1,2—1,4 МДж/м2. Однако из-за повышенного содержания кислорода металл шва склоне к деформационному (механическому) старению — ударная вязкость при этом снижается на 60—70 %.
За последние годы объем выпуска электродов с кислым покрытием значительно сократился. Эго обусловлено тем, что из-за высокого содержания в кислых покрытиях ферромаганца в процессе сварки образуется большое количество относительно ток; сичных паров соединений марганца.