СОСТАВ СВАРОЧНОЙ ПРОВОЛОКИ Российский патент 2002 года по МПК B23K35/30 C22C38/60 

Изобретение относится к производству сварочных материалов и может быть использовано для ручной и автоматической сварки теплоустойчивых сталей перлитного класса при изготовлении изделий в нефтехимическом и энергетическом машиностроении.

Для обеспечения надежности и долговечности оборудования сварочные материалы должны обладать комплексом технологических и служебных свойств: высокой прочностью и пластичностью, низкой температурой хрупко-вязкого перехода (Т_ко), стойкостью против тепловой хрупкости, отсутствием существенной деградации свойств металла шва под воздействием облучения.

В настоящее время значительная часть нефтехимического и энергетического оборудования изготавливается из теплоустойчивой стали 15Х2МФА (ТУ 108-131-86, с. 28), которая содержит 2,5-3,0% Сr, 0,6-0,8% Мо, 0,25-0,3 5% V, обладает высокой прочностью и пластичностью при температурах эксплуатации до 500^oС, а также низкой температурой хрупко-вязкого перехода (Тко <0^oС).

Для сварки этой стали применяется сварочная проволока Св-10ХМФТУ по ТУ14-1-4914-90 (стр. 3).

Недостатками указанной проволоки являются низкий предел прочности (≤ 539 МПа) и высокая температура хрупко-вязкого перехода (Тко ≤ 20^oС) металла сварных швов.

Наиболее близким к заявляемому является состав сварочной проволоки по патенту СССР 859087, прототип, имеющий следующие ингредиенты, %:
С - 0,05-0,12
Si - 0,20-0,40
Mn - 0,4-1,2
Cr - 0,8-1,8
Мо - 0,4-0,8
V - 0,05-0,35
Ti - 0,05-0,15
Cu - 0,01-0,1
Sb - 0,0001-0,005
As - 0,001-0,01
Sn - 0,0001-0,005
Co - 0,001-0,05
S - Не более 0,012
P - Не более 0,010
Fe - Остальное
Однако известный состав сварочной проволоки обладает пониженньм пределом прочности металла шва и высокой температурой хрупко-вязкого перехода.

Задачей настоящего изобретения явилось повышение предела прочности и снижение температуры хрупко-вязкого перехода металла сварных швов одновременно с обеспечением высокой стойкости к тепловому и радиационному охрупчиванию.

Поставленная цель достигается введением никеля, алюминия, азота, кислорода и свинца при следующем содержании компонентов, %:
Углерод - 0,07-0,12
Кремний - 0,15-0,40
Марганец - 0,3-1,2
Хром - 1,5-2,5
Никель - 0,01-0,2
Молибден - 0,4-1,2
Ванадий - 0,05-0,25
Титан - 0,01-0,15
Медь - 0,01-0,06
Алюминий - 0,005- 0,05
Азот - 0,003-0,012
Кислород - 0,001-0,005
Олово - 0,0001-0,001
Сурьма - 0,001-0,008
Мышьяк - 0,001-0,01
Кобальт - 0,005-0,02
Свинец - 0,001-0,01
Сера - 0,001-0,006
Фосфор - 0,001-0,006
Железо - Остальное
При этом для повышения стойкости металла шва к тепловой хрупкости должно обеспечиваться следующее требование:
,
где К - критерий теплового охрупчивания.

И для повышения пластичности и ударной вязкости после радиационного облучения должно обеспечиваться следующее условие:
Q = 0,07Cu+P+(Co+Ni)³ ≤ 0,021,
где Q - критерий охрупчивания в условиях облучения.

Введение хрома в сочетании с ванадием способствует измельчению первичного зерна и, как следствие, более дисперсному выпадению упрочняющих фаз.

Поскольку ванадий и хром являются энергичными карбидообразующими элементами для сохранения высокой пластичности, суммарное содержание карбидообразующих элементов к углероду и азоту должно быть строго регламентировано отношением:

Азот в присутствии титана и ванадия способствует образованию карбонитридов по границам зерен и повышает прочность металла шва, в то же время его содержание должно быть ограничено величиной 0,012% для обеспечения пластичности и вязкости металла шва.

Введение никеля способствует повышению пластичности и вязкости металла шва, однако его содержание должно быть ограничено вышеприведенными пределами из-за опасности охрупчивания металла шва при работе в условиях облучения.

В результате экспериментальных исследований было установлено, что на радиационное охрупчивание металла шва в наибольшей степени оказывают влияние такие элементы, как никель, кобальт, фосфор и медь. Причем, для получения оптимальной пластичности и вязкости после облучения была установлена следующая зависимость:
Q = 0,07Cu+P+(Co+Ni)³ ≤ 0,021,
где Q - критерий охрупчивания в условиях облучения.

Повышение прочности теплоустойчивых сталей достигается применением двух видов структурного упрочнения: 1) введением элементов, упрочняющих твердый раствор. К таким элементам относятся хром, азот, алюминий и молибден; 2) введением карбидообразующих элементов, к которым относятся ванадий и титан.

Кислород эффективно снижает растворимость водорода в низколегированных сталях. Однако увеличение его содержания выше заданных пределов приводит к появлению оксидов, резко снижающих вязкость металла.

Свинец свыше указанного предела приводит к появлению горячих трещин в металле шва за счет снижения его пластичности.

Сера свыше указанного предела снижает пластические характеристики и повышает температуру хрупко-вязкого перехода.

Фосфор свыше указанного предела снижает стойкость металла шва против радиационного охрупчивания.

Новый состав сварочной проволоки явился примером оптимизации содержания элементов, упрочняющих твердый раствор, и карбидообразующих элементов в сварочной проволоке и, соответственно, в металле шва с целью обеспечения с одной стороны необходимого уровня прочности, с другой - высоких значений пластичности и ударной вязкости металла шва.

Пример конкретного выполнения:
Для изготовления проволоки была выплавлена сталь на заводе "Сибэлектросталь", г. Красноярск и откованы заготовки на квадрат 38. Из этих заготовок на заводе "Серп и Молот" была изготовлена сварочная проволока заявленного состава и прототипа. Химический состав сварочной проволоки приведен в табл. 1. Механические свойства металла шва, выполненного проволоками составов, указанных в табл. 1 при автоматической сварке под флюсом (ФП-33) после отпуска по режиму 670^oС/18 ч + 720^oС/14 ч приведены в табл. 2.

Результаты испытаний металла сварных швов на склонность к тепловому охрупчиванию приведены в табл. 3, а после радиационного облучения флюенсом 1•10¹⁹ н/см² при температуре облучения 270^oС, энергия облучения Е ≥ 0,5% МЭВ - в табл. 4.

Анализ результатов испытания металла шва (табл. 2) показал, что металл шва заявленного состава характеризуется высокими значениями прочности, пластичности и ударной вязкости по сравнению с прототипом, а критическая температура хрупкости составляет: Т_КО ≤ -20^oС.

Анализ результатов испытаний после длительных тепловых выдержек (табл. 3) позволяет сделать заключение о том, что заявленные пределы обеспечивают в наибольшей степени стабильность механических свойств при работе в условиях повышенных температур, особенно по показателям пластичности и ударной вязкости. Таким образом, металл шва заявленного состава не склонен, в отличие от прототипа, к тепловой хрупкости.

Заявляемый состав используется для сварки элементов активной зоны, находящейся в условиях радиационного облучения. Кроме того, предлагаемый состав может быть использован для сварки корпусов реакторов АЭУ и другого оборудования, работающего в условиях облучения.

Данные табл.4 свидетельствуют о том, что с увеличением критерия Q степень радиационного охрупчивания металла шва возрастает.

Ожидаемый технико-экономический эффект от использования предлагаемого состава сварочной проволоки выразится в увеличении срока службы оборудования, применяемого в нефтехимическом и энергетическом машиностроении за счет повышения стойкости металла шва против теплового и радиационного охрупчивания, а также повышения пределов прочности и снижения температуры хрупко-вязкого перехода.

Источники информации
1. Земзин В.Н. и др. Термическая обработка и свойства сварных соединений.

2. Николаев В. А. и др. Влияние никеля, меди и фосфора на радиационное охрупчивание феррито-перлитной стали. Атомная энергия, 1974, 37, вып. 6, с. 491-495.

3. Охрупчивание конструкционных сталей и сплавов. Москва, Металлургия, 1988 г.

Изобретение может быть использовано для ручной и автоматической сварки теплоустойчивых сталей перлитного класса при изготовлении изделий в энергетическом и нефтехимическом машиностроении. Сварочная проволока содержит элементы в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,07-0,12, кремний 0,15-0,40, марганец 0,30-1,20, хром 1,5-2,5, никель 0,01-0,20, молибден 0,40-1,20, ванадий 0,05-0,25,титан 0,01-0,15, медь 0,01-0,06, алюминий 0,005-0,05, азот 0,003-0,012, кислород 0,001-0,005, олово 0,0001-0,01, сурьма 0,001-0,008, мышьяк 0,001-0,01, кобальт 0,005-0,02, свинец 0,001-0,01, сера 0,001-0,006, фосфор 0,001-0,006, железо остальное. Регламентировано отношение суммы V и Сr к сумме С и N, а также суммарное содержание меди, фосфора, кобальта и никеля. Изобретение позволяет повысить стойкость металла шва против теплового и радиационного охрупчивания. 2 з.п. ф-лы, 4 табл.

1. Состав сварочной проволоки, преимущественно для сварки сталей перлитного класса, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, молибден, фосфор, серу, медь, ванадий, титан, кобальт, олово, мышьяк, сурьму и железо, отличающийся тем, что в состав проволоки дополнительно введен никель, алюминий, азот, кислород и свинец при следующем содержании компонентов, мас. %:
Углерод - 0,07-0,12
Кремний - 0,15-0,40
Марганец - 0,30-1,20
Хром - 1,5-2,5
Никель - 0,01-0,20
Молибден - 0,40-1,20
Ванадий - 0,05-0,25
Титан - 0,01-0,15
Медь - 0,01-0,06
Алюминий - 0,005-0,05
Азот - 0,003-0,012
Кислород - 0,001-0,005
Свинец - 0,001-0,01
Сера - 0,001-0,006
Фосфор - 0,001-0,006
Олово - 0,0001-0,01
Сурьма - 0,001-0,008
Мышьяк - 0,001-0,01
Кобальт - 0,005-0,02
Железо - Остальное
2. Состав по п. 1 отличается тем, что отношение суммы V и Сr к сумме С и N должно обеспечивать следующее требование:

где К - критерий теплового охрупчивания. 3. Состав по п. 1 отличается тем, что содержание меди, фосфора, кобальта и никеля должно удовлетворять следующему условию:
Q= 0,07Cu+P+(Co+Ni)³ ≤ 0,021,
где Q - критерий охрупчивания.