FR2608080A1

FR2608080A1 - Weld bead having a high manganese content and electrode intended for its production

Info

Publication number: FR2608080A1
Application number: FR8708869A
Authority: FR
Inventors: Robert Philip Munz; Dennis Dell Crockett
Original assignee: Lincoln Electric Co
Current assignee: Lincoln Electric Co
Priority date: 1986-12-12
Filing date: 1987-06-24
Publication date: 1988-06-17
Anticipated expiration: 2007-06-24
Also published as: CA1327283C; FR2608080B1; AU579280B2; AU7276587A

Abstract

Weld bead having a high abrasion stength, the chemical composition of the deposition of which is as follows: 0.4 to 0.7 % carbon, 10.0 to 16.0 % manganese, 4.5 to 7.5 % chromium, the balance being iron and other minor ingredients. The minor ingredients can comprise 0 to 1.0 % silicon, 0 to 0.20 % aluminium, 0.25 to 1.5 % nickel and 0 to 0.30 % titanium. Application: production of an electrode, consisting of a carbon-steel tube containing a filling, for depositing the weld beads.

Description

La présente invention a pour objet le domaine du soudage à l'arc électrique et, plus précisément, la composition analytique d'une perle de soudure résistante à l'abrasion, à forte teneur en manganèse, et une électrode à flux incorporé pour la production de cette perle de soudure. The subject of the present invention is the field of electric arc welding and, more specifically, the analytical composition of an abrasion-resistant solder bead, with a high manganese content, and an incorporated flux electrode for production. of this solder bead.

Des aciers austénitiques au manganèse contenant 10 à 14 % de manganèse sont fréquemment utilisés pour résister à l'usure provenant d'un choc violent et d'une abrasion modérée dans de nombreuses applications industrielles comme : des jonctions de rails ; des coeurs de croisement et des aiguilles ; des marteaux de broyeurs; des pièces de dragues ; des pièces de laminoirs ; des dents de pignons d'entrarnement, etc.Dans ces applications, la surface d'usure est habituellement fournie par : le soudage d'une plaque ou d'une pièce faite de cet acier à forte teneur en manganèse à une structure en acier au carbone ou en acier faiblement allié ; le soudage dur d'une surface usée en utilisant une électrode à forte teneur en manganèse ; ou la réfection de la structure en éliminant la surface usée et en soudant à la place une nouvelle pièce en acier à forte teneur en manganèse. Manganese austenitic steels containing 10 to 14% of manganese are frequently used to resist wear from violent impact and moderate abrasion in many industrial applications such as: rail junctions; crossing hearts and needles; grinder hammers; pieces of dredgers; parts of rolling mills; sprocket teeth, etc. In these applications, the wear surface is usually provided by: welding a plate or a part made of this high manganese steel to a steel structure at carbon or low alloy steel; hard welding of a worn surface using a high manganese content electrode; or repairing the structure by eliminating the worn surface and by welding a new piece of steel with a high manganese content instead.

Dans tous les cas, on utilise une électrode comprenant un tube d'acier à faible teneur en carbone rempli de divers fondants connus permettant d'obtenir un arc uni, un minimum de projections et de bonnes conditions d'utilisation pour l'opérateur, et des ingrédients d'alliage, principalement de grandes quantités de manganèse, et des quantités moindres de nickel, de chrome et de carbone, tous en des quantités et rapports qui permettent d'obtenir la teneur optimale désirée en alliage dans la perle de soudure déposée. In all cases, an electrode is used comprising a low carbon steel tube filled with various known fluxes allowing a united arc to be obtained, a minimum of projections and good conditions of use for the operator, and alloying ingredients, mainly large amounts of manganese, and lesser amounts of nickel, chromium and carbon, all in amounts and ratios which provide the desired optimum alloy content in the deposited solder bead.

Bien que la dureté et la résistance à l'abrasion soient d'une extreme importance, l'aptitude à souder un acier à forte teneur en manganèse à une autre pièce en acier à forte teneur en manganèse, ou à une pièce d'acier au carbone ou d'acier faiblement allié sans fissuration présente une importance égale. Ainsi, dans un cas, dans l'art antérieur, un fabricant a fourni une électrode pour le soudage dur et une autre électrode pour le soudage d'une pièce en acier à forte teneur en manganèse à une pièce en acier au carbone ou en acier faiblement allié. Dans l'alternative, la pratique consiste à sacrifier la résistance à l'abrasion de la perle de soudure en faveur de l'aptitude à souder également une pièce en acier à forte teneur en manganèse à une pièce en acier au carbone ou en acier faiblement allié sans fissuration en utilisant la même électrode. Although hardness and abrasion resistance are of extreme importance, the ability to weld a high manganese steel to another piece of high manganese steel, or a piece of steel to carbon or low alloy steel without cracking is of equal importance. Thus, in one case, in the prior art, a manufacturer provided an electrode for hard welding and another electrode for welding a piece of steel with a high manganese content to a piece of carbon steel or steel. weakly alloyed. In the alternative, the practice consists in sacrificing the abrasion resistance of the weld bead in favor of the ability to also weld a piece of steel with a high manganese content to a piece of carbon steel or of weak steel. alloyed without cracking using the same electrode.

Une troisième voie utilisée dans des électrodes de l'art antérieur consiste à sacrifier les caractéristiques d'action et de soudage de l'arc pour obtenir une résistance à la fissuration au degré désiré de résistance à l'abrasion. Ce compromis est réalisé en utilisant un système de scories contenant peu ou pas de Tir2. Il en résulte une très faible teneur résiduelle en. titane dans le dépôt de soudure, ce qui réduit au minimum la fissuration aux teneurs en carbone nécessaires pour une bonne résistance à l'abrasion.Cependant, les caractéristiques de soudage de ce système sont peu souhaitables en raison d'un type très globulaire de transfert de métal qui produit de fortes teneurs en projections de métal, un mauvais aspect de surface de la perle de soudure et des profils de perles plus étroits qui ne permettent pas une association uniforme entre des perles de soudure adjacentes. A third way used in electrodes of the prior art consists in sacrificing the action and welding characteristics of the arc to obtain resistance to cracking at the desired degree of resistance to abrasion. This compromise is achieved by using a slag system containing little or no Tir2. This results in a very low residual content of. titanium in the weld deposit, which minimizes cracking to the carbon contents necessary for good abrasion resistance. However, the welding characteristics of this system are undesirable due to a very globular type of transfer of metal which produces high contents of metal splashes, a poor surface appearance of the weld bead and narrower bead profiles which do not allow a uniform association between adjacent weld beads.

Un autre problème dans la conception des électrodes pour la production des perles ou des surfaces de soudure à forte résistance à l'abrasion concerne le coût des ingrédients d'alliage. De grandes quantités d'alliages sont utilisées et il est souhaitable de pro duire la forte résistance à l'abrasion à un coût minimal. Another problem in the design of electrodes for the production of beads or solder surfaces with high abrasion resistance relates to the cost of the alloying ingredients. Large amounts of alloys are used and it is desirable to produce the high abrasion resistance at minimal cost.

Cela nécessite l'utilisation de la quantité minimale de charge totale dans l'électrode avec des ingrédients d'alliage sous une forme de faible coût.This requires the use of the minimum amount of total charge in the electrode with alloying ingredients in a low cost form.

Dans la conception d'une électrode à forte teneur en manganèse, il est classique d'essayer la résistance à l'abrasion en soumettant des spécimens identiques d'acier à 0,30 % de carbone et de l'acier à forte teneur en manganèse à des essais d'abrasion identiques consistant à appliquer les échantillons contre une meule refroidie à l'eau, en rotation lente, sous une pression relativement forte pendant des durées identiques prédéterminées et à mesurer la quantité de métal éliminée de chaque échantillon par abrasion. Le degré de résistance à l'abrasion est alors déterminé en divisant la quantité de métal éliminée de l'échantillon d'acier à 0,30 < de carbone par la quantité de métal éliminée de l'échantillon à forte teneur en manganèse.Jusqu'à présent, un degré de résistance à l'abrasion égal à 5 à 7 fois celui de l'acier à 0,30 % de carbone était considéré comme étant satisfaisant. In the design of a high manganese electrode, it is conventional to try abrasion resistance by subjecting identical specimens of 0.30% carbon steel and high manganese steel identical abrasion tests consisting in applying the samples against a water-cooled grinding wheel, in slow rotation, under relatively high pressure for identical predetermined times and in measuring the quantity of metal removed from each sample by abrasion. The degree of abrasion resistance is then determined by dividing the amount of metal removed from the 0.30 <carbon steel sample by the amount of metal removed from the high manganese sample. now, an abrasion resistance level of 5 to 7 times that of 0.30% carbon steel was considered to be satisfactory.

La présente invention concerne la composition anal-tise d'une perle de soudure nouvelle et améliorée, à forte teneur en manganèse, et une électrode pour la production de cette perle de soudure, possédant un degré de résistance à l'abrasion supérieur à ce qui était considéré comme étant possible auparavant, un agrément d'utilisation excellent pour l'opérateur et un coût relativement faible. The present invention relates to the anal-tise composition of a new and improved solder bead, with a high manganese content, and an electrode for the production of this solder bead, having a higher degree of abrasion resistance than that was considered to be possible before, an approval of use excellent for the operator and a relatively low cost.

Conformément à la présente invention, il est proposé une perle de soudure ayant la composition chimique du dépôt suivante : 0,4 à 0,7 % de carbone; 10,0 à 16,0 % de manganèse ; 4,5 à 7,5 % de chrome le reste étant du fer et d'autres ingrédients secondaires d'alliage, comme le nickel, l'aluminium et le silicium, plus des impuretés. In accordance with the present invention, there is provided a solder bead having the following chemical composition of the deposit: 0.4 to 0.7% carbon; 10.0-16.0% manganese; 4.5 to 7.5% chromium with the balance being iron and other secondary alloying ingredients, such as nickel, aluminum and silicon, plus impurities.

En outre, confortrement à la présente invention, la cce position analytique cle la perle de soudure comprend jusqu'à 1,0 % de silicium pour permettre une meilleure résistance à la rouille et à l'oxydation et pour obtenir un mouillage et une surface de la perle améliorés, jusqu'à 0,20 % d'aluminium au maximum, ce qui réduit au minimum la perte de chrome par oxydation dans l'arc de soudage, 0,25 % à 1,5 % de nickel, ce qui améliore la résistance à la fissuration et O à 0,30 % de titane, ce qui accroît davantage la dureté et augmente la résistance à l'abrasion. In addition, comfortably with the present invention, this analytical position of the solder bead comprises up to 1.0% of silicon to allow better resistance to rust and to oxidation and to obtain a wetting and a surface of improved pearl, up to 0.20% aluminum maximum, which minimizes loss of chromium by oxidation in the welding arc, 0.25% to 1.5% nickel, which improves resistance to cracking and 0 to 0.30% titanium, which further increases hardness and increases resistance to abrasion.

Une perle de soudure classique, illustrant une forme de réalisation préférée de la présente invention, possède la composition suivante C C % Mn % Si % AI Ni % Cr % Ti 0,49/0,60 12,0/14,5 0,20/0,45 0,01/0,10 0,40/0,65 5,0/7,0 0,15/0,25
Une telle composition offre un degré de résistance à l'abrasion de 9 à 13 et une dureté C Rockwell de 18 à 28, comparativement à une dureté C Rockwell de 12 à 23 pour les électrodes de l'art antérieur.A conventional solder bead, illustrating a preferred embodiment of the present invention, has the following composition CC% Mn% Si% AI Ni% Cr% Ti 0.49 / 0.60 12.0 / 14.5 0.20 / 0.45 0.01 / 0.10 0.40 / 0.65 5.0 / 7.0 0.15 / 0.25
Such a composition offers a degree of abrasion resistance from 9 to 13 and a C Rockwell hardness from 18 to 28, compared to a C Rockwell hardness from 12 to 23 for the electrodes of the prior art.

Les compositions classiques de perles de soudure et les caractéristiques physiques d'électrodes concurrentielles connues de la Demanderesse et d'une électroue antérieure du cessionnaire de la Demrnderesse, sont les suivantes
Concurrent Cessionnaire
I Il
% C 0,872 0,232 0,468
% Mn 15,0 17,5 13,0
% Si 0,37 0,43 0,35
v Ni 0,35 0,65 2,03
% Cr 2,85 17,3 3,90
% Al < 0,01 < 0,01 0,03
% Ti < 0,01 0,15 0,16
,0 Fe le reste le reste le reste
Degré de résis
tance à l'abrasion 8,2 6,9 5,7
Dureté C Rockwell 22,6 21,8 17,8
Une électrode capable de produire un tel dépôt de perle de soudure, conformément à la présente invention, comprend un tube en acier à faible teneur au carbone ayant comme noyau des constituants formant des scories et des constituants d'alliage, généralement en les pourcentages en poids suivant :
Minimum Maximum
% de la % de % de la % de
charge l'électrode charge l'électrode
Na20 0,6 0,17 1,3 0,41
MgO 1,5 0,43 2,2 0,69 TiO2 10,0 2,8 15,0 4,7
CaF2 6,0 1,7 9,0 2,8
C 1,4 0,40 2,3 0,72
AI 1,0 0,3 1,8 0,7
Si 0,5 0,14 1,9 0,60
Cr 13,7 4,0 18,5 5,8
Mn 45,0 12,8 49,0 15,5
Ni 1,2 0,34 1,9 0,60
Fe 11,2 3,2 8,5 2,7
Tube le reste le reste le reste le reste
Préféré
t de la charge % de l'électrode
Na 20 1,0 0,3
MgO 1,8 0,54
Ti02 11,9 3,6
CaF2 7,6 2,3
C 1,9 0,57
AI 1,4 0,42
Si 1,5 0,45
Cr 14,5 4,4
Mn -45,8 13,7
Ni 1,5 0,45
Fe 10,2 3,1
Tube le reste
Les divers ingrédients à l'intérieur du tube constituent approximativement 30 % du poids total de l'électrode.The conventional compositions of solder beads and the physical characteristics of competitive electrodes known to the Applicant and to a previous electrode of the assignee of the Applicant, are as follows
Competitor Assignee
I he
% C 0.872 0.232 0.468
% Mn 15.0 17.5 13.0
% If 0.37 0.43 0.35
v Ni 0.35 0.65 2.03
% Cr 2.85 17.3 3.90
% Al <0.01 <0.01 0.03
% Ti <0.01 0.15 0.16
, 0 Fe the rest the rest the rest
Resistance level
abrasion resistance 8.2 6.9 5.7
Hardness C Rockwell 22.6 21.8 17.8
An electrode capable of producing such a solder bead deposit, in accordance with the present invention, comprises a low carbon steel tube having as core slag and alloy components, generally in weight percentages following :
Minimum Maximum
% of% of% of% of
charge the electrode charge the electrode
Na20 0.6 0.17 1.3 0.41
MgO 1.5 0.43 2.2 0.69 TiO2 10.0 2.8 15.0 4.7
CaF2 6.0 1.7 9.0 2.8
C 1.4 0.40 2.3 0.72
AI 1.0 0.3 1.8 0.7
If 0.5 0.14 1.9 0.60
Cr 13.7 4.0 18.5 5.8
Mn 45.0 12.8 49.0 15.5
Ni 1.2 0.34 1.9 0.60
Fe 11.2 3.2 8.5 2.7
Tube the rest the rest the rest the rest
Prefer
t of the load% of the electrode
Na 20 1.0 0.3
MgO 1.8 0.54
Ti02 11.9 3.6
CaF2 7.6 2.3
C 1.9 0.57
AI 1.4 0.42
If 1.5 0.45
Cr 14.5 4.4
Mn -45.8 13.7
Ni 1.5 0.45
Fe 10.2 3.1
Tube the rest
The various ingredients inside the tube constitute approximately 30% of the total weight of the electrode.

Le Ti02 est le constituant de scories principal et favorise les caractéristiques avantageuses de l'arc, facilite l'obtention d'un revêtement de scories pour mieux protéger la traversée du métal fondu dans l'arc lors du soudage, donne une couverture de scories sur le dépôt de métal fondu par soudage, et permet d'ajuster la fluidité du métal fondu par soudage pour une forme optimale de la perle de soudure. Ti02 is the main slag constituent and promotes the advantageous characteristics of the arc, facilitates obtaining a coating of slag to better protect the passage of molten metal in the arc during welding, gives a slag cover on the deposit of molten metal by welding, and makes it possible to adjust the fluidity of the molten metal by welding for an optimal shape of the weld bead.

Le Na20 accroit la stabilité de l'arc et facilite l'ajustement de la plage de fusion du revêtement de scories sur le métal déposé par soudage. Na20 increases the stability of the arc and facilitates the adjustment of the melting range of the slag coating on the metal deposited by welding.

Normalement, l'oxyde de sodium seul est hygroscopique, mais est fourni sous la forme la plus stable vis-àvis de l'humidité, à savoir Na2Ti03. Normally, sodium oxide alone is hygroscopic, but is provided in the most moisture-stable form, namely Na2Ti03.

Le fluorure de calcium est un ingrédient important et facilite l'ajustement du type de transfert de gouttelettes de l'électrode au bain de soudure afin de réduire au minimum la contamination par l'oxygène et l'azote de la perle de soudure. Cet ingrédient est également important pour abaisser la plage de fusions des scories et pour avoir une action efficace de fusion et de mouillage permettant d'obtenir une perle de soudure déposée plus propre. Calcium fluoride is an important ingredient and makes it easier to adjust the type of droplet transfer from the electrode to the solder pool to minimize oxygen and nitrogen contamination from the solder bead. This ingredient is also important for lowering the range of slag fusions and for having an effective melting and wetting action allowing a cleaner deposited solder bead to be obtained.

L'oxyde de magnésium fournit un oxyde fondamental pour un mouillage de la perle et une élimination des scories améliorés. Magnesium oxide provides a fundamental oxide for improved pearl wetting and slag removal.

Le manganèse est fourni sous forme d'une poudre métallique et, comme cela est connu, produit un dépôt de manganèse austénitique dur. Manganese is supplied as a metal powder and, as is known, produces a deposit of hard austenitic manganese.

Le nickel est ajouté pour accroître la résistance à la fissuration dans la perle de soudure déposée. Nickel is added to increase the resistance to cracking in the deposited solder bead.

La poudre de nickel étant relativement coûteuse compara tivement au ferro-chrome, l'utilisation de petites quantités de nickel et de quantités supérieures de chrome pour obtenir les caractéristiques physiques désirées permet d'abaisser le coût de l'électrode et ainsi de la soudure finale.Since nickel powder is relatively expensive compared to ferro-chromium, the use of small quantities of nickel and greater quantities of chromium to obtain the desired physical characteristics makes it possible to lower the cost of the electrode and thus of the final weld .

Le chrome et le carbone sont fournis sous forme d'un carbure de ferro-chrome granulaire et ces deux ingrédients augmentent conjointement la résistance à l'abrasion. Une teneur supérieure en carbone, tout en offrant une meilleure résistance à l'abrasion, tend à induire un taux de fissuration supérieur. En conséquence, les teneurs en carbone sont importantes. Des teneurs en chrome supérieures seules n'améliorent pas la résistance à l'abrasion et nécessitent des pourcentages et un coût de charge supérieurs. Le carbure de ferro-chrome est moins coûteux que le carbure de chrome. Chromium and carbon are supplied in the form of a granular ferro-chromium carbide and these two ingredients jointly increase the abrasion resistance. A higher carbon content, while offering better abrasion resistance, tends to induce a higher cracking rate. Consequently, the carbon contents are important. Higher chromium contents alone do not improve abrasion resistance and require higher percentages and cost of charge. Ferro-chromium carbide is less expensive than chromium carbide.

L'aluminium est ajouté pour contribuer à empêcher la perte par oxydation du chrome traversant l'arc et constitue un fixateur d'azote. Aluminum is added to help prevent oxidation loss of chromium through the arc and forms a nitrogen fixative.

Le silicium possède un rôle secondaire, facilitant la désoxydation et le mouillage amélioré de la perle, et donne à la perle une surface unie. Silicon has a secondary role, facilitating deoxidation and improved wetting of the pearl, and gives the pearl a smooth surface.

L'objet principal de la présente invention consiste à proposer une perle de soudure nouvelle et améliorée qui possède un degré de résistance à l'abrasion supérieur à ceux qui étaient obtenus jusqu'ici, avec une faible tendance à la fissuration lors de l'utilisation pour souder de l'acier austénitique au manganèse à un autre acier austénitique au manganèse, à de l'acier au carbone ou à de l'acier faiblement allié. The main object of the present invention is to provide a new and improved solder bead which has a higher degree of abrasion resistance than those obtained hitherto, with a low tendency to crack during use. for welding austenitic manganese steel to another austenitic manganese steel, carbon steel or low alloy steel.

Un autre objet de la présente invention consiste à proposer une électrode nouvelle et perfectionnée qui produit un dépôt à forte teneur en manganèse, résistant à l'abrasion, et qui possède des vitesses de dépôt élevées, une faible perte par projections et un faible coût au gramme. Another object of the present invention is to provide a new and improved electrode which produces a deposit with a high manganese content, which is resistant to abrasion, and which has high deposition rates, low spatter loss and low cost at gram.

Un autre objet de la présente invention consiste à proposer une électrode de soudage nouvelle et perfectionnée permettant une soudure avec une meilleure résistance à l'abrasion, qui présente un agrément d'utilisation excellent pour l'opérateur, avec un minimum de projections et un bon mouillage de la perle. Another object of the present invention consists in proposing a new and improved welding electrode allowing a weld with better abrasion resistance, which presents an approval of use excellent for the operator, with a minimum of projections and a good pearl wetting.

Il va de soi que la présente invention n'a été décrite qu'à titre explicatif, mais nullement limitatif, et que de nombreuses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. It goes without saying that the present invention has been described for explanatory purposes, but in no way limiting, and that numerous modifications can be made thereto without departing from its scope.

Claims

1. Welding pearl with high abrasion resistance, characterized in that it has the following chemical composition of the deposit, by weight: 0.4 to 0.7% carbon; 10.0-16.0% manganese; 4.5 to 7.5% chromium; the remainder being iron and other secondary alloying ingredients.

2. Electrode according to claim 1, characterized in that the chemical composition of the deposit comprises 0 to 1.0% of silicon.

3. Electrode according to claim 1, characterized in that the chemical composition of the deposit comprises 0 to 0.20% of aluminum.

4. Electrode according to claim 1, characterized in that the chemical composition of the deposit comprises 0.25 to 1.5% of nickel.

5. Analytical composition of the deposit according to claim 1, characterized in that the chemical canposition of the deposit comprises 0 to 0.30% of titanium.

6. Welding pearl with high abrasion resistance, characterized in that it has the following chemical composition, by weight: 0.4 to 0.7% of carbon, 10.0 to 16.0% of manganese; 4.5 to 7.5% chromium; 0 to 1.0% silicon; 0 to 0.20% aluminum; 0.25 to 1.5% nickel; and O at 0.30% titanium, the remainder being iron.

7. An electrode for depositing abrasion-resistant solder beads with a high manganese content, characterized in that it consists of a carbon steel tube containing a filler comprising the following ingredients, as a percentage of the total weight of the electrode

Minimum Maximum

Na2 0 0.17 0.41

MgO 0.43 0.69

Ti02 2.8 4.7

CaF2 1.7 2.8

C 0.40 0.72

Al 0.3 0.7

If 0.14 0.60

Cr 4.0 5.8

Mn 12.8 15.5

Ni 0.34 0.60

Fe 3.2 2.7

Tube the rest the rest

8. An electrode according to claim 7, characterized in that the ingredients are the following, as a percentage of the total weight of the electrode:

Na 0 0.3

MgO 0.52

TiC2 3.6

CaF2 2.3

0.57

Ai 0.42

S 0.45

Cr 4.4

Mn 13.7

Ni 0.45

Fe 3.1

Tube the rest.