ЛЕГИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОД ДЛЯ СВАРКИ ТЕПЛОУСТОЙЧИВЫХ СТАЛЕЙ Российский патент 2010 года по МПК B23K35/365 

Изобретение относится к области производства сварочных материалов и может быть использовано в различных областях промышленности для сварки легированных теплоустойчивых хромомолибденовых сталей, работающих при температуре плюс 450°С.

За рубежом для сварки теплоустойчивых хромомолибденовых сталей типа 2,25Cr-1Mo используются сварочные электроды по составу наплавленного металла, близкие к основному металлу с ограниченным содержанием серы и фосфора (например, фирмы ESAB-OK 76.28) [4], содержащего (мас.%):

Углерод не более 0,05 Кремний 0,3 Марганец 0,7 Хром 2,3 Молибден 1,0 Сера 0,012 Фосфор 0,012

Для указанной цели в тепловой и атомной энергетике используются электроды типа Э-05Х2М. Эти электроды не отвечают современным требованиям, которые предъявляются к металлу шва по содержанию фосфора и серы, приводящих к повышению критической температуры хрупкости (Тк_о), в т.ч. после длительной эксплуатации при температурах +450°С.

Наиболее близким к заявочному электроду по назначению и составу компонентов, взятому в качестве прототипа, является электрод марки Н-10 ("Электроды для дуговой сварки сталей и никелевых сплавов". И.А.Закс, изд. СПб: WELCOM, 1996 г., стр.68, 162, 165), состоящий из стержня проволоки марки Св-04Х2МА, содержащей (мас.%):

Углерод не более 0,06 Кремний 0,12-0,35 Марганец 0,4-0,7 Хром 1,8-2,2 Никель не более 0,25 Молибден 0,5-0,7 Сера 0,020 Фосфор 0,025 Мышьяк не более 0,08 Железо остальное

и электродного покрытия, содержащего (мас.%):

Мрамор 54,0 Концентрат плавикошпатовый 18,0 Ферромарганец 2,0 Ферротитан 14,0 Ферросилиций 3,0 Песок кварцевый 9,0 Стекло натриевое жидкое 26-32

Основным недостатком этих электродов является склонность к тепловому охрупчиванию металла шва в процессе эксплуатации при температурах более 450°С, а также склонность к образованию пор в процессе сварки.

Техническим результатом изобретения является создание электрода для сварки легированных теплоустойчивых хромомолибденовых сталей, работающих при температурах до плюс 450°С, обеспечивающего высокую стойкость металла шва к тепловому охрупчиванию и повышению сварочно-технологических характеристик при сварке - повышению стойкости к образованию пор в металле шва.

Технический результат достигается тем, что для стержня электрода используется электродная проволока, содержащая: углерод, кремний, марганец, хром, молибден, никель с ограниченным содержанием серы, фосфора, олова, сурьмы, мышьяка при следующем соотношении элементов, мас.%:

Углерод 0,03-0,06 Кремний 0,12-0,35 Марганец 0,4-0,7 Хром 1,8-2,2 Молибден 0,5-0,7 Никель 0,05-0,25 Сера 0,006-0,01 Фосфор 0,006-0,01 Олово 0,001-0,005 Сурьма 0,001-0,008 Мышьяк 0,001-0,01 Железо Остальное,

при этом суммарное содержание в проволоке S и P не превышает 0,018%, суммарное содержание As, Sb и Sn не превышает 0,016%.

В электродное покрытие дополнительно введена двуокись титана, увеличено содержание ферромарганца, ферросилиция за счет ограничения ферротитана мрамора и концентрата плавикошпатового при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Мрамор 25-40 Концентрат плавикошпатовый 20-33 Ферромарганец 3-5 Ферротитан 5-10 Ферросилиций 4-5 Песок кварцевый 10-15 Двуокись титана 5-20

Ограничение содержания цветных примесей, а также серы и фосфора в сварочной проволоке позволяет обеспечить металлу шва высокое сопротивление хрупкому разрушению. Комплексное легирование наплавленного металла сильным элементом-раскислителем кремнием через электродное покрытие за счет ферросилиция и песка кварцевого позволяет снизить порообразование в металле шва при сварке.

Кроме того, повышение сварочно-технологических характеристик электродов и снижение склонности металла шва к пористости обеспечивается введением в покрытие двуокиси титана, которая позволяет получать самопроизвольную отделимость шлаковой корки и более низкое содержание диффузионного водорода.

Был проведен комплекс опытно-промышленных работ по изготовлению, испытанию и практическому опробованию электродов для сварки легированных теплоустойчивых хромомолибденовых сталей. Была выполнена вакуумно-индукционная плавка стали марки 04Х2МАА-ВИ с химическим составом, приведенным в таблице 1, из которой путем ковки с последующей прокаткой и волочением была получена проволока диаметром 4 мм.

Опытные образцы электродов были изготовлены на ОАО "Машиностроительный завод "ЗиО-Подольск".

Опытные образцы электродов испытывались при сварке теплоустойчивой стали марки 10Х2М. Сварку производили в нижнем положении на постоянном токе обратной полярности с предварительным подогревом при температуре плюс 100-150°С, Iсв=110-150 А. Визуальный осмотр и радиографический контроль металла шва сварных проб показал отсутствие недопустимых дефектов: пор, трещин, непроваров, прожогов.

Из металла сварных швов, полученного электродами предлагаемого и известного составов, изготовлены и испытаны образцы для определения химического состава и механических свойств, критической температуры хрупкости.

Химический состав наплавленного металла известного и заявленного электродов представлен в таблице 1.

Состав покрытий заявленного и известного сварочного электрода представлен в таблице 2. Данные сравнительных испытаний механических свойств металла шва представлены в таблице 3.

Результаты сравнительных испытаний показывают, что заявленный состав по сравнению с известным (Тк_о=0°С) позволяет получать металл шва с более низкими значениями критической температуры хрупкости (Тк_о=-20÷-22°С) при обеспечении более высоких сварочно-технологических характеристиках электродов и отсутствия пор в металле шва.

Технико-экономический эффект от использования изобретения выразится в повышении надежности и долговечности конструкций за счет повышения сопротивления хрупкому разрушению в процессе длительной эксплуатации энергетического оборудования, работающего в условиях повышенных температур, а также снижения трудозатрат за счет исключения работ по зачистке и ремонту сварных швов.

Таблица 1 Химический состав известного и заявленного стержня для электродов Состав Химический состав, мас.% Выполнение соотношения C Si Mn S P Cr Ni Mo As Sb Sn S+P As+Sb+Sn Заявляемый 0,04 0,27 0,65 0,005 0,004 2,2 0,03 0,66 0,001 0,005 0,001 0,009 0,007 Известный 0,06 0,15 0,56 0,020 0,015 1,9 0,08 0,53 0,05 - - 0,035 0,05

Таблица 2 Химический состав покрытий известного и заявленного электродов Состав № Состав покрытия, мас.% Мрамор Концентрат плавикошпатовый Ферромарганец Ферротитан Ферросилиций Песок кварцевый Двуокись титана Заявляемый 1 40 33 3 5 4 10 5 2 31 30 4 7 4,5 13 10 3 25 20 5 10 5 15 20 Известный   54,0 18,0 2,0 14,0 3,0 9,0 -

Таблица 3 Результаты сравнительных испытаний известных и заявляемых электродов Состав № Механические характеристики металла шва Сварочно-технологические характеристики σ₀₂, МПа σ_в, МПа δ₅, % ψ, % Критическая температура хрупкости, °С Сдвиг критической температуры хрупкости вследствие теплового старения, ΔТт, °С Отделимость шлака Количество пор на участке длиной 100 мм +20 +450 +20 +450 +20 +450 +20 +450 Исходное состояние Тко, °С После теплового старения, Ткт, °С Заявляемый 1 491 378 618 435 21 18 75 79 -20 -20 0 Самоотделимость 0 2 480 370 600 425 20 17 75 80 -24 -22 2 Самоотделимость 0 3 485 374 610 430 22 17 70 80 -22 -22 0 Самоотделимость 0 Известный   480 371 605 422 15 13 55 65 0 +20 20 Удовл. 80% 16 Примечание: Данные усреднены по результатам испытаний трех образцов на одну точку.

Изобретение может быть использовано для сварки конструкций из легированных теплоустойчивых хромомолибденовых сталей, работающих при температуре плюс 450°С. Стержень электрода выполнен из легированной стали с ограниченным содержанием цветных примесей, серы и фосфора. Нанесенное на стержень покрытие содержит следующие компоненты, мас.%: мрамор 25-40, концентрат плавикошпатовый 20-33, песок кварцевый 10-15, ферротитан 5-10, ферросилиций 4-5, ферромарганец 3-5, двуокись титана 5-20. Электрод обеспечивает получение металла шва с более низкими значениями критической температуры хрупкости при высоких сварочно-технологических характеристиках и отсутствии пор в металле шва. 3 табл.

Легированный электрод для сварки теплоустойчивых сталей, включающий стальной стержень и электродное покрытие, содержащее мрамор, концентрат плавикошпатовый, кварцевый песок, ферросилиций, ферротитан, ферромарганец, отличающийся тем, что электродное покрытие дополнительно содержит двуокись титана при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Мрамор 25-40 Концентрат плавикошпатовый 20-33 Ферромарганец 3-5 Ферротитан 5-10 Ферросилиций 4-5 Песок кварцевый 10-15 Двуокись титана 5-20