СОСТАВ СВАРОЧНОЙ ПРОВОЛОКИ Российский патент 2001 года по МПК B23K35/30 C22C38/46 

Изобретение относится к сварке и касается состава сварочной проволоки для сварки и наплавки изделий из высокоуглеродистых сталей, работающих при больших знакопеременных нагрузках.

Известен состав сварочной проволоки для сварки и наплавки высокоуглеродистых сталей с повышенным содержанием серы, содержащий компоненты при следующем соотношении, мас.%:
Углерод - - 0,06-0,11
Хром - 0,95-1,25
Кремний - 0,45-0,70
Марганец - 1,20-1,50
Молибден - 0,50-0,70
Ванадий - 0,20-0,35
Сера - Не более 0,03
Фосфор - Не более 0,03
Никель - <0,30
(см. ГОСТ 2246-70)
Однако известный состав сварочной проволоки не обеспечивает при сварке и наплавке высокоуглеродистых сталей мелкозернистую стабильную структуру с требуемой пластичностью и вязкостью, а также стойкую к хрупкому разрушению и горячим трещинам. Кроме того, применение известного состава сварочной проволоки при наплавке высокоуглеродистых сталей приводит к образованию трещин в наплавленном металле из-за чувствительности его к скорости охлаждения и неметаллическим включениям сульфидного типа.

Наиболее близким из известных по своей технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа состав сварочной проволоки, содержащий углерод, хром, кремний, марганец, молибден, ванадий, серу, фосфор, кальций, железо, в который введен кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,06-0,10
Хром - 0,9-1,20
Кремний - 0,4-0,70
Марганец - 1,55-1,80
Молибден - 0,5-0,70
Ванадий - 0,2-0,45
Сера - 0,025-0,04
Фосфор - 0,025-0,030
Кальций - 0,05-0,20
Железо - остальное
при этом отношение содержания углерода к суммарному содержанию молибдена и ванадия составляет 0,066 - 0,087, а отношение содержания серы к суммарному содержанию кальция и марганца находится в пределах 0,015 - 0,020 (см, например, описание изобретения к патенту РФ N 2104138, кл. B 23 K 35/30, опубл. 1998).

К недостаткам прототипа можно отнести нестабильное мерцающее горение дуги, а также возможность образования горячих трещин и сравнительная хрупкость сварного шва.

Техническим результатом, на достижение которого направлено данное изобретение, является повышение эффективности и технологичности сварки и наплавки изделий из высокоуглеродистых сталей за счет повышения сопротивляемости против горячих трещин и хрупкого разрушения, вязкости в сочетании с высокой антикоррозийной твердостью и прочностью сварного шва.

Технический результат достигается тем, что состав сварочной проволоки, содержащий углерод, хром, кремний, марганец, молибден, ванадий, серу, фосфор, кальций, железо, дополнительно содержит никель при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,04-0,12
Хром - 0,4-0,91
Кремний - 0,2-0,5
Марганец - 0,8-1,4
Молибден - 0,2-0,6
Ванадий - 0,1-0,4
Сера - не более 0,025
Фосфор - не более 0,025
Кальций - 0,05-0,12
Никель - 0,05-0,4
Железо - остальное,
при этом отношение содержания углерода к суммарному содержанию молибдена и ванадия должно составлять 0,12 - 0,13, а отношение содержания серы к суммарному содержанию кальция и марганца должно быть в пределах 0,016 - 0,029.

Ванадий, молибден и кальций в предлагаемых пределах введены в сварочную проволоку как комплекс карбидообразующих и модифицирующих добавок.

При введении ванадия менее 0,1% карбиды ванадия образуются в металле сварного шва в незначительном количестве, что приводит к росту зерна при сварке и как следствие к снижению ударной вязкости и прочности металла шва.

Повышение содержания ванадия выше 0,4% приводит к чрезмерному напряжению, особенно границ зерен, что приводит к снижению ударной вязкости и появлению трещин в основном в околошовной зоне сварки.

Молибден и ванадий, введенные в предлагаемых пределах, при сварке высокомарганцовистых сталей в металле шва и околошовной зоне образуют карбиды мелкодисперсной формы.

Введение в композицию никеля в качестве стабилизатора дуги и пластификатора технологического процесса в пределах 0,05 - 0,4% обеспечивает повышение сопротивляемости против горячих трещин и хрупкого разрушения, вязкости в сочетании с высокой антикоррозийной твердостью и прочностью сварного шва, что в конечном итоге обеспечивает повышение эффективности и технологичности сварки и наплавки изделий из высокоуглеродистых сталей, при этом содержание никеля менее 0,05% не оказывает заметного влияния на технологичность процесса и сварного шва, а увеличение содержания никеля свыше 0,4% ведет к неоправданному резкому увеличению стоимости сварочных электродов.

Экспериментальным путем было установлено, что соотношение содержания углерода, молибдена и ванадия, позволяющее получить оптимальную стабильную структуру металла сварного шва при сварке высокоуглеродистых сталей с мелкодисперсными карбидами, должно отвечать следующей зависимости:
C:(Mo+V)=0,12-0,13
где C - содержание углерода, мас.%;
V - содержание ванадия, мас.%;
Mo - содержание молибдена, мас.%.

При увеличении данного соотношения более 0,13% ухудшается состав карбидной зоны металла шва - появляются менее твердые карбиды цементного типа.

При снижении данного соотношения менее 0,12% снижается прочность металла сварного шва за счет уменьшения количества карбидной фазы.

Кальций введен в количестве 0,05-0,12% как раскислитель и образует в металле сварного шва оксисульфиды глобулярной формы. При содержании кальция ниже 0,05 мас. % ухудшается морфология сульфидов, приобретающих игольчатую форму, что вызывает снижение стойкости металла шва к хрупкому разрушению.

Избыточное содержание кальция выше 0,12 мас.% приводит к выделению оксисульфидов по границам зерен и снижению как следствие стойкости металла шва к хрупкому разрушению. Оптимальное соотношение содержания серы, кальция и марганца, позволяющее получить металл сварного шва с минимальным содержанием неметаллических включений по границам зерен, а также с мелкими оксисульфидами глобулярной формы, было определено экспериментальным путем и отвечает следующей зависимости:
S:(Ca+Mn)=0,016-0,029
где S - содержание серы, мас.%;
Ca - содержание кальция, мас.%;
Mn - содержание марганца, мас.%.

При увеличении данного соотношения более 0,029 мас.% снижаются пластические свойства металла сварного шва за счет выделения при сварке высокоуглеродистых сталей в металле шва сульфидов марганца игольчатой формы, что приводит к снижению стойкости, к хрупкому разрушению, т.е. образуются трещины.

Снижение данного соотношения менее 0,016 мас.% может привести к выделению оксисульфидов по границам зерен и снижению стойкости металла сварного шва к хрупкому разрушению.

Как показывают экспериментальные данные, предлагаемая сварочная проволока при сочетании оптимальных соотношений C:(Mo+V) = 0,12-0,13 и S:(Ca+Mn)= 0,016-0,029, а также при содержании остальных компонентов в предлагаемом диапазоне позволяет получить хороший комплекс механических свойств металла сварного шва, а именно сочетание высоких значений прочности, пластичности, стойкости к хрупкому разрушению.

Такое сочетание свойств обеспечивается стабильной структурой металла сварного шва, наличием мелкодисперсных карбидов, которые способствуют образованию мелкого зерна в металле шва.

На базе АО "Электросталь", г. Электросталь были изготовлены несколько вариантов сварочной проволоки различного состава. Изготовленной сварочной проволокой диаметром 3 мм производили сварку "колесной стали "2" следующего состава, мас.%: C-0,04-0,12; Cr 0,4-0,9; Mn 0,8-1,4; Si 0,2-0,5; Mo 0,2-0,6; V 0,1-0,4; P не более 0,025; S не более 0,025; Ca 0,05-0,12; Ni 0,05-0,4; Fe - остальное.

Режим сварки: I_св = 320 ± 20A,
U_св = 29 ± 2B,
V_св = 20 м/ч.

Температура подогрева 160^oC.

После сварки вырезанные стандартные образцы подвергались визуальному осмотру и механическим испытаниям.

Наряду с испытаниями образцов сваренных предлагаемой сварочной проволокой качественной оценке подвергались образцы металлов шва, сваренных проволокой 08ХСМФА (прототип).

Режим сварки тот же, что и в случае с предлагаемой сварочной проволокой, но даже при температуре предварительного подогрева 180^oC в металле шва, сваренного проволокой прототипом, появляются трещины размером от 1 мм по всей длине.

Металлографический анализ показал, что металл сварного шва имеет многочисленные сульфиды марганца игольчатой формы.

Твердость металла сварного шва 300-330 HV.

В результате испытаний на основании полученных данных можно установить, что для получения стабильной структуры металла сварного шва и высоких механических свойств необходимо для сварки высокоуглеродистых сталей использовать сварочную проволоку предлагаемого состава, учитывая предлагаемые соотношения.

Результаты исследований на прочность и ударную вязкость подтверждаются ранее полученными результатами на качественную оценку жестких проб для горячих и холодных трещин. Кроме этого, наличие трещин на натуральных образцах полностью совпадает с наличием трещин на исследуемых образцах.

Изобретение относится к сварочному производству. Состав сварочной проволоки содержит следующие компоненты, мас.%: углерод 0,04-0,12, хром 0,4-0,9, кремний 0,2-0,5, марганец 0,8-1,4, молибден 0,2-0,6, ванадий 0,1-0,4, сера не более 0,025, фосфор не более 0,025, кальций 0,05-0,12, никель 0,05-0,4, железо - остальное, при этом отношение содержания углерода к суммарному содержанию молибдена и ванадия должно составлять 0,12-0,13, а отношение содержания серы к суммарному содержанию кальция и марганца должно быть в пределах 0,016-0,029. Технический результат заключается в повышении эффективности и технологичности сварки изделий из высокоуглеродистых сталей за счет повышения сопротивляемости против горячих трещин и хрупкого разрушения, вязкости в сочетании с высокой антикоррозионной твердостью и прочностью сварного шва.

Состав сварочной проволоки, содержащий углерод, хром, кремний, марганец, молибден, ванадий, серу, фосфор, кальций, железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит никель при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,04 - 0,12
Хром - 0,4 - 0,9
Кремний - 0,2 - 0,5
Марганец - 0,8 - 1,4
Молибден - 0,2 - 0,6
Ванадий - 0,1 - 0,4
Сера - не более 0,025
Фосфор - не более 0,025
Кальций - 0,05 - 0,12
Никель - 0,05 - 0,4
Железо - Остальное
при этом отношение содержания углерода к суммарному содержанию молибдена и ванадия должно составлять 0,12 - 0,13, а отношение содержания серы к суммарному содержанию кальция и марганца должно быть в пределах 0,016 - 0,029.