СПЛАВ НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВАРОЧНОЙ ПРОВОЛОКИ Российский патент 1997 года по МПК B23K35/30 

Изобретение относится к сварке, в частности к сварочным материалам для получения соединения между горячекатанными полосами из ферритных хромистых сталей и сплавов, и может быть использовано в металлургической промышленности при изготовлении ленты и других изделий методом, например, рулонной холодной прокатки сплава Х23Ю5 для изготовления нейтрализаторов выхлопных газов автомобилей.

Ферритные стали и сплавы, особенно высокохромистые, относятся к трудносвариваемым из-за повышенной хрупкости металла в околошовной зоне /ОШЗ/ сварного соединения, обусловленной в основном значительным ростом зерна и выпадением карбонитридов хрома по границам зерен, а также из-за низкой пластичности металла сварного соединения и склонности его к трещинообразованию. Обычно высокохромистые стали сваривают более пластичными хромоникелевыми сварочными материалами. Однако в процессе холодной прокатки рулонов с натяжением сварное соединение подвергается многократным обжатиям с чрезмерно высокими растягивающими напряжениями и деформациями в металле шва и околошовной зоне. Это часто приводит к обрыву прокатываемых полос в зоне сварного соединения из-за трещин в нем или большего утонения его относительно основного металла. Поэтому возникает необходимость в существенном повышении свариваемости, пластичности прокатываемого сварного соединения и получения деформируемости его, близкой к деформируемости основного металла.

Известен сплав на никелевой основе для изготовления сварных конструкций и присадочной проволоки, содержащий, мас. титан 2-3; алюминий 1,1-1,6; марганец 1,0-1,5; железо не более 0,15; медь не более 0,1; кремний не более 0,2; углерод не более 0,1; сера не более 0,03; фосфор не более 0,02; никель
остальное [1] обладающий улучшенной свариваемостью. Однако низкое содержание марганца в проволоке приводит к усиленной диффузии углерода и хрома к линии сплавления и границам зерен, расширению интервала кристаллизации металла шва, недостаточному протеканию процесса дисульфации сварного шва. Это вызывает снижение стойкости сварного соединения к образованию горячих трещин /ОГТ/ в шве, что является причиной недостаточной деформируемости шва и обрыва полосы в процессе холодной прокатки.

Известна сварочная проволока для сварки сплавов типа 12ХМ, содержащая, мас. углерод 0,08-0,1; кремний 0,5-0,8; алюминий 0,1-0,2; марганец 2-3; титан 0,4-0,5; молибден 7-8; никель остальное [2]
Эта проволока обеспечивает удовлетворительную свариваемость и пластичность. Однако высокое содержание углерода и недостаточное содержание марганца снижает технологическую прочность сварного соединения при сварке высокохромистых ферритных сталей, а повышенное содержание молибдена повышает его твердость. Это приводит к образованию трещин в сварном соединении, а также к излишнему утолщению в нем, что вызывает обрыв прокатываемых полос.

Указанные недостатки являются причинами, препятствующими достижению требуемого технического результата, при использовании указанной сварочной проволоки, взятой за прототип.

Сущность изобретения заключается в том, что применение предлагаемой сварочной проволоки с новым соотношением элементов без изменения их состава при сварке горячекатанных полос из ферритных хромистых сталей и сплавов, обеспечивает получение сварного соединения химического состава, исключающего образование горячих трещин в процессе сварки и утонения или утолщения его относительно основного металла в процессе прокатки, что в совокупности улучшает пластичность соединения и исключает обрыв его в результате холодной прокатки.

Указанный технический результат достигается тем, что в известный сплав на никелевой основе для изготовления сварочной проволоки, преимущественно для соединения полос из высокохромистых ферритных сталей и сплавов перед холодной прокаткой, содержащий марганец, титан, берут в следующем соотношении его компонентов /в мас./: марганец 5-12, титан 1-3, никель остальное. При этом количество примесей в сплаве должно быть ограничено следующими значениями, мас. азот 0,0001-0,03; кремний 0,001-0,2; углерод 0,001-0,03, а в случае отсутствия в основном металле алюминия, его вводят в проволоку в количестве (2-5) мас. Одновременное увеличение от 5 до 12 мас. содержания марганца, титана от 1 до 3 мас. и алюминия от 2 до 5 мас. в сплаве на никелевой основе при одновременном увеличении углерода от 0,001 до 0,03 мас. кремния от 0,001 до 0,2 мас. и азота от 0,0001 до 0,03 мас. которые, взаимодействия между собой в процессе сварки, позволяют исключить в получаемом соединении трещины, а в процессе холодной прокатки изменение толщины его относительно основного металла, за счет увеличения его технологической прочности и получения такой пластичности, которая максимально приближает его деформируемость к деформируемости основного металла, что исключит обрыв полосы по сварному соединению в процессе холодной прокатки, так как сварное соединение во время холодной прокатки выполняет роль мягкой прослойки с пластичностью выше пластичности основного металла и твердостью, близкой к твердости основного металла при окончании холодной прокатки.

Уменьшение содержания марганца ниже 5 мас. в составе присадочной сварочной проволоки ухудшает сварочно-технологические и пластические свойства металла в ОШЗ и сварного шва. Увеличение содержания марганца свыше 12 мас. заметно снижаются пластические характеристики сварного соединения, а также в процессе горячей деформации при переделе слитков сплава на проволоку.

Титан при содержании его в сплаве 1-3 мас. способствует образованию карбидов титана вместо карбидов хрома и совместно с марганцем способствует более равномерному распределению карбидов в теле зерна в том числе и по линии сплавления ОШЗ. Кроме того, в указанных пределах титан существенно измельчает структуру сварного соединения. Эти факторы заметно влияют на повышение пластичности металла сварного соединения. Уменьшение содержания титана ниже 1 мас. и увеличение свыше 3 мас. приводят к снижению пластичности сварного соединения.

Углерод, азот, кремний является сопутствующими неизбежными примесями, присутствие которых является нежелательным и содержание их должно быть ограничено до возможного минимума.

Содержание углерода более 0,03 мас. и азота более 0,03 мас. ведет к значительному увеличению карбидов и карбонитридов, в том числе и карбидов хрома, а следовательно, требует увеличения содержания титана в сплаве, что снижает пластичность шва и ОШЗ.

Наличие кремния свыше 0,2 мас. резко снижает стойкость металла шва к ОГТ. Наличие в сплаве алюминия в количестве 2-5 мас. наряду с марганцем и титаном способствует более полному раскислению металла шва, что повышает пластичность шва и его стойкость к порообразованию. Снижение содержания алюминия менее 2 мас. снижает стойкость шва к порообразованию, а при содержании свыше 5 мас. снижается пластичность шва из-за и образования большого количества хрупкой фазы Ni₃Al.

Наилучших показателей по пластичности металла в ОШЗ сварного соединения возможно достигнуть, если при использовании заявленной присадочной проволоки выдерживается определенное соотношение суммарного содержания титана и углерода в свариваемом /прокатываемом/ металле и проволоке.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется примерами.

Изготовление сварочной поверхности заявленного состава, а также составов, выходящих за границы заявляемых пределов содержания компонентов, производили в лабораторных условиях института прецизионных сплавов Центрального научно-исследовательского института черной металлургии им. ИП. Бардина /ЦНИИЧМ/. Выплавку сплава производили в индукционной печи ЛПЗ-67 с тиглем емкостью 50 кг. Разливку металла осуществляли в круглые изложницы. По ходу разливки отбирали пробы для определения химического состава. Химические составы выплавленных металлов представлены в таблице.

Дальнейшую обработку литых заготовок производили путем горячей деформации прессованием. Для этого каждый слиток отрабатывался до получения заготовки длиной 120 мм и диаметром 62 мм. Заготовка нагревалась в муфельной печи ОКБ-210 до температуры 1200^oC. Прессование проводилось на горизонтальном прессе ОЭЗВНИТИ. Заготовки прессовали на прутки диаметром 32 мм. Полученные заготовки диаметром 32 мм подвергали переделу на проволоку 2 мм в два приема. Катанку диаметром 6 мм получали на одиннадцати-клетьевом стане 250. Проволоку диаметром 2 мм получали волочением термообработанной катанки в волочильном стане. После волочения проволока подвергалась термообработке, травлению и осветлению. Затем качество полученной проволоки было проконтролировано по методике ЦНИИЧМ: трещин, рыхлот и закатов на поверхности обнаружено не было.

Изготовленные проволоки использовались в качестве присадочного материала при аргоно-дуговой сварке горячекатанных полос из сплавов Х23Ю5 и 15Х25Т толщиной 2,2 мм и шириной 170 мм. Полосы сваривались без разделки кромок с зазором 2 мм при сварочном токе 120 А. Полосы сваривались в рулон /ленту/ с последующей холодной прокатки с обжатием 30% до толщины δ0,4 мм. Часть полос сваривалась для лабораторных исследований свойств сварных соединений. Сварные швы контролировались визуально и рентгенопросвечиванием. Из сварных соединений изготавливались образцы для металлографических исследований, испытаний на пластичность /относительное удлинение d/, изгиб-перегиб в ОШЗ.

В процессе металлографических исследований определялись макро- и микроструктуры металла шва и околошовной зоны, наличие несплавлений, пор, трещин, неметаллических включений и других дефектов.

Испытания на растяжение проводились на плоских образцах с определением относительного удлинения d /пластичности/ металла шва, испытания на перегиб производились в специальном приспособлении по ГОСТу 13813-63 для определения пластичности металла в околошовной зоне. Один гиб-перегиб складывался из гиба половины образца на 90^o в одну сторону и перегибом загнутой части образца в обратную сторону также на 90^o. При этом образцы закреплялись в приспособлении в середине шва таким образом, чтобы гибу подвергалась большая часть ОШЗ, включая и линию сплавления сварного шва. Прокатка сварных соединений проводилась на реверсивном стане холодной прокатки "кварто-300" без промежуточной термической обработки за 5 проходов. Результаты испытания, анализов и экспериментов, некоторые из которых приведены в таблице показали, что сварные швы, выполненные сварочной проволокой заявленного состава, плотные без трещин, пор, несплавлений, непроваров и других дефектов, с наличием микроскопических неметаллических включений округлой формы и карбидов титана, расположенных равномерно и преимущественно в теле зерна. Карбиды хрома в металле соединения практически отсутствуют. Металл околошовной зоны имеет мелкозернистую структуру a твердого раствора. Металл шва и околошовной зоны имеют высокие показатели пластичности и деформируемости /утонение, утолщение/ в процессе холодной прокатки.

Использование: получение сварочной проволоки для соединения полос из ферритных хромистых сталей и сплавов перед холодной прокаткой. Сущность изобретения: сплав на никелевой основе содержит, мас. %: марганец 5-12, титан 1-3, никель - остальное. Может содержать дополнительно аммоний 2-5 мас. %. Количество примесей в сплаве ограничено следующими значениями, мас. %: азот 0,0001-0,03, кремний 0,001-0,2, углерод 0,001-0,03. Применение данной проволоки исключает образование горячих трещин при сварке металла шва и околошовной зоны, имеет высокие показатели пластичности и деформируемости в процессе холодной прокатки. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Сплав на никелевой основе для изготовления сварочной проволоки, содержащий марганец и титан, отличающийся тем, что для соединения полос из высокохромистых и ферритных сталей и сплавов перед холодной прокаткой сплав содержит компоненты в следующем соотношении, мас.

Марганец 5 12
Титан 1 3
Никель Остальное
2. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит алюминий в количестве 2 5 мас.

Азот 0,0001 0,03
Кремний 0,001 0,2
Углерод 0,001 0,03ю