СОСТАВ ПРОВОЛОКИ ДЛЯ МЕХАНИЗИРОВАННОЙ СВАРКИ Российский патент 2011 года по МПК B23K35/30 C22C38/58 

Изобретение относится к сварочным материалам, а именно к сварочным проволокам, и может быть использовано для механизированной сварки в среде защитных газов конструкций из немагнитной высокопрочной аустенитной азотистой стали в различных отраслях промышленности, например в судостроительной или нефтехимической промышленности.

Судостроение и машиностроение в последние годы получили новые направления развития, обуславливаемые появлением перспективного класса высокопрочных азотистых сталей, в том числе и немагнитного исполнения. Применение данных сталей позволяет изготавливать коррозионностойкие конструкции с минимально возможным весом (например - танки газовозов).

Выполненные за последние годы научно-исследовательские работы и промышленное опробование доказали возможность широкого использования сталей этого класса в различных отраслях промышленности.

Несмотря на различия в условиях эксплуатации различных типов судов и кораблей, основными требованиями к сварным соединениям являются необходимая прочность, способность сопротивляться воздействию статических, циклических и динамических нагрузок, высокая коррозионная стойкость, устойчивость к воздействию морской воды, а также хорошая свариваемость. Кроме того, используемые при этом сварочные материалы должны обладать высокими технологическими характеристиками: минимальным разбрызгиванием металла, хорошей отделимостью шлаковой корки, отсутствием дефектов.

Возможность создания корпусных конструкций для изделий морской техники, а также других конструкций со специальными свойствами из немагнитных азотистых сталей высокой прочности, находится в прямой зависимости от наличия сварочных материалов, обеспечивающих комплекс требуемых эксплуатационных свойств.

Учитывая то обстоятельство, что сварочный материал разрабатывается для немагнитной стали, он должен обладать низким показателем магнитной проницаемости (µ≤1,01) с определенной системой легирования, приводящей к образованию устойчивой при обычных температурах аустенитной структуры, которая и является немагнитной.

Для сварки данного класса сталей «ЦНИИ КМ «Прометей» разработаны покрытые электроды для ручной дуговой сварки марки ЭА-868/20 и сочетание «проволока-флюс». Однако применение ручной дуговой сварки не обеспечивает высокой производительности процесса, а автоматическая сварка не позволяет выполнять весь объем работ в силу своих технологических особенностей (невозможность сварки в пространственных положениях, отличных от нижнего и в труднодоступных местах).

Таким образом, разработок сварочной проволоки конкретно для механизированной сварки немагнитных азотистых сталей в России не проводилось.

В связи с этим актуальной является разработка немагнитной коррозионностойкой сварочной проволоки диаметром 1,2 мм. Создание немагнитной сварочной проволоки, обеспечивающей весь комплекс эксплуатационных свойств, позволит механизировать процесс сварки и повысить его производительность.

Известна сварочная проволока марки Св-10Х19Н11М4Ф (ЭП-647) /1/, разработанная «ЦНИИ КМ «Прометей», предназначенная для механизированной сварки низколегированных сталей высокой прочности, принятая за прототип, содержащая в своем составе компоненты при следующем соотношении, мас.% от проволоки:

Углерод 0,07-0,12 Кремний 0,6-1,0 Марганец 1,5-2,0 Хром 18,0-20,0 Никель 10,0-11,50 Молибден 3,80-4,30 Ванадий 0,70-1,10 Азот 0,06-0,09 Сера 0,010-0,015 Фосфор 0,015-0,018 Железо Остальное

Данная проволока обеспечивает высокий предел прочности (750-800 МПа), однако ее недостатком является достаточно высокий показатель магнитных свойств (магнитная проницаемость µ≈2,8) ввиду того, что в структуре присутствует около 10% ферритной составляющей.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание проволоки для механизированной сварки корпусных конструкций из немагнитной высокопрочной азотистой стали, имеющей низкий показатель магнитной проницаемости за счет оптимизации системы легирования, обеспечивающей образование аустенитной структуры наряду с высокими механическими характеристиками и технологической трещиностойкостью сварных соединений. Кроме того, дополнительным техническим результатом является хорошая отделяемость шлаковой корки и высокая коррозионная стойкость сварных соединений за счет введения циркония.

Технический результат достигается тем, что в сварочной проволоке для механизированной сварки корпусных конструкций из немагнитной высокопрочной азотистой стали, содержащей углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий, азот, серу, фосфор, железо, изменены соотношения компонентов при следующем их содержании, мас.% от проволоки:

Углерод 0,04-0,08 Кремний 0,6-0,9 Марганец 3,5-4,0 Хром 19,0-21,0 Никель 15,0-17,0 Молибден 2,4-2,8 Ванадий 0,01-0,03 Азот 0,15-0,25 Сера 0,005-0,010 Фосфор 0,010-0,015 Железо Остальное

Дополнительный технический результат достигается тем, что в заявляемый состав может быть введен цирконий в количестве 0,05-0,10 мас.%.

Высокое содержание хрома и азота в сочетании с другими компонентами, необходимыми для получения стабильной аустенитной структуры, позволяет получать сварочную проволоку с высоким уровнем физических, механических и коррозионных свойств.

Хром позволяет в значительной степени добиться увеличения прочности и коррозионной стойкости металла шва. Также хром измельчает структуру и благотворно влияет на механические характеристики металла шва. Повышение содержания хрома выше указанного верхнего предела приведет к чрезмерному росту прочности шва и охрупчиванию, т.е. будет способствовать снижению пластичности металла шва. Снижение содержания хрома менее указанного нижнего предела приведет к недопустимому снижению прочностных характеристик металла шва и риску образования горячих трещин.

При легировании стали марганец является вторым элементом после хрома, который используется в высоколегированных сталях в качестве аустенизатора. Будучи аустенизатором, марганец обеспечивает высокую коррозионную стойкость металла шва и существенно повышает растворимость азота в стали. В связи со способностью марганца связывать серу и препятствовать горячеломкости швов, он повышает их пластичность, практически не влияя на прочность. Увеличение содержания марганца выше указанного верхнего предела приведет к выделению в атмосферу при сварке вредных окислов, что повлечет нарушение экологической обстановки. Снижение содержания марганца менее указанного нижнего предела приведет к появлению питтинговой коррозии.

Азот является аустенитообразующим элементом, т.е. способствует сохранению аустенитного строения стали. Также он упрочняет металл, измельчает структуру, придает аустенитной стали способность к дисперсионному твердению. Находясь в твердом растворе, азот значительно повышает прочностные свойства металла за счет искажения кристаллической решетки без существенного снижения его пластичности. Повышение содержания азота в шве выше указанного верхнего предела не представляется возможным технически. Снижение содержания азота менее указанного нижнего предела приведет к увеличению магнитной проницаемости металла шва и снижению прочности, что является недопустимым для сварки немагнитной азотистой стали.

Никель также является аустенитообразующим элементом, повышает сопротивление металла шва хрупким разрушениям, повышает его прочность и пластичность до уровня требований к основному металлу немагнитной азотистой стали, что обусловлено механизмом твердорастворного упрочнения, а также улучшает стойкость против коррозии на воздухе и в морской воде.

Оптимальное соотношение хрома, азота и молибдена при содержании никеля не менее 15% позволяет обеспечить низкую магнитную проницаемость металла шва. Повышение содержания никеля выше указанного верхнего предела приведет к снижению технологической трещиностойкости за счет роста размеров зерен (горячие трещины), а также к снижению вязкопластичных свойств шва и необоснованному увеличению себестоимости проволоки. Снижение содержания никеля менее указанного нижнего предела приведет к появлению ферритной составляющей (α-фаза) в металле шва, что затруднит его использование при сварке немагнитной аустенитной стали.

Молибден повышает механические свойства металла шва, а именно временное сопротивление разрыву и предел текучести. Поскольку разрабатываемый материал должен обладать аустенитным строением, а молибден является элементом-ферритизатором, способствуя появлению ферритной составляющей в металле шва, то его содержание необходимо ограничивать. В заявляемой проволоке оптимальным является содержание молибдена в шве 2,4-2,8%, что сравнительно ниже, чем в прототипе. Снижение содержания молибдена менее указанного нижнего предела приведет к недопустимому ухудшению прочностных характеристик, а повышение содержания молибдена выше указанного верхнего предела приведет к увеличению магнитной проницаемости металла шва, снижению работы удара при отрицательных температурах. Кроме того, повышение содержания молибдена выше указанного верхнего предела является экономически необоснованным.

Ванадий применяется для легирования хромоникелевых аустенитных сталей в качестве карбидо- и ферритообразователя, положительно влияя на сопротивляемость межкристаллитной коррозии и повышая прочность металла шва. Легирование металла шва ванадием с целью образования карбидной фазы способствует измельчению структуры и снижению опасности возникновения горячих трещин. Поскольку ванадий является ферритизатором, его содержание должно быть снижено по сравнению с прототипом. Повышение содержания ванадия выше указанного верхнего предела приведет к снижению работы удара при отрицательных температурах и является экономически необоснованным. При снижении содержания ванадия менее указанного нижнего предела не будет обеспечена требуемая прочность и трещиностойкость металла шва.

Цирконий в сталях действует как эффективный карбидо- и ферритообразователь, предотвращая межкристаллитную коррозию. Также цирконий применяется в сталях как металлургическая присадка для удаления серы. В процессе сварки роль циркония выражается в благоприятном влиянии на отделимость шлаковой корки. Увеличение содержания циркония выше указанного верхнего предела приведет к образованию большого количества карбидов и снижению работы удара при отрицательных температурах и является экономически необоснованным. Снижение содержания циркония менее указанного нижнего предела приведет к отсутствию его влияния на характеристики металла шва.

Таким образом, оптимальное соотношение хрома, никеля, азота и молибдена в составе сварочной проволоки по сравнению с прототипом позволяет добиться требуемой низкой магнитной проницаемости металла шва (µ≤1,01), а введение циркония обеспечивает высокую коррозионную стойкость сварных соединений в сочетании с улучшенными сварочно-технологическими характеристиками.

Изготовление предлагаемой сварочной проволоки включает в себя следующие технологические операции:

- выплавка стали с заданным химическим составом, определяемым по ковшевой пробе;

- отливка слитков массой 0,5-2,0 т;

- ковка слитков на заготовки (включает нагрев слитков под ковку в печах, изготовление кованых заготовок сечением 100×100 мм на прессах, охлаждение заготовок, осмотр поверхности, ремонт заготовок (при необходимости);

- прокатка кованых заготовок на катанку на сортовых станах;

- осмотр и зачистка поверхности катанки;

- волочение катанки (проволоки) на промежуточные (передельные) размеры;

- контроль технологического процесса;

- отжиг проволоки в печи;

- электрохимическая полировка проволоки;

- намотка проволоки на катушки или кассеты.

На каждой стадии выполнения технологической операции возможно проведение зачистки и термической обработки поверхности. Термообработка катанки или проволоки передельных размеров производится в термических печах при температурах 1050-1100°C в течение 30 минут с охлаждением в воде.

Подготовку поверхности катанки (проволоки) к волочению осуществляют в следующей последовательности:

- обработка в щелочном расплаве;

- промывка в баке с проточной водой;

- травление в растворе кислоты;

- промывка в душирующей установке под давлением 4 атм холодной воде;

- осветление;

- промывка в душирующей установке под давлением 4 атм холодной воде;

- нанесение известково-солевого покрытия;

- сушка в баковых сушилах.

Волочение проволоки на готовые размеры производят с применением мыльной смазки (60-70%) в соответствии с рекомендуемыми режимами.

В таблице 1 в качестве примера приведены четыре возможных варианта химического состава предлагаемой сварочной проволоки, условно обозначенных I, II, III, IV. Там же приведен химический состав проволоки-прототипа, использованной для сравнения, условно обозначенный V.

В таблице 2 приведены химические составы металла швов, полученных с использованием приведенных в таблице 1 вариантов составов, в таблице 3 -механические свойства металла шва указанных вариантов составов сварочной проволоки. В таблице 4 представлены дополнительные свойства (сварочно-технологические и коррозионные характеристики) составов I, II, III, IV, V.

Таблица 1 Компоненты Химический состав проволоки, мас.% Предлагаемый состав V(прототип) I II III IV Углерод 0,04 0,06 0,08 0,06 0,095 Кремний 0,6 0,75 0,9 0,75 0,8 Марганец 3,5 3,75 4,0 3,75 1,75 Хром 19,0 20,0 21,0 20,0 19,0 Никель 15,0 16,0 17,0 16,0 10,75 Молибден 2,4 2,6 2,8 2,6 4,05 Ванадий 0,01 0,02 0,03 0,02 0,9 Азот 0,15 0,20 0,25 0,20 0,075 Цирконий - - - 0,08 - Сера 0,005 0,008 0,010 0,008 0,012 Фосфор 0,010 0,012 0,015 0,012 0,017 Железо ост. ост. ост. ост. ост.

Таблица 2 Варианты сварочной проволоки Содержание элементов в металле шва, % C Si Mn Cr Ni Mo V N Zr S P I 0,04 0,5 3,1 15,0 14,0 2,4 0,01 0,10 - 0,005 0,010 II 0,06 0,6 3,4 16,5 15,0 2,6 0,02 0,15 - 0,008 0,012 III 0,08 0,7 3,7 18,0 16,0 2,8 0,03 0,20 - 0,010 0,015 IV 0,06 0,6 3,4 16,5 15,0 2,6 0,02 0,15 0,005 0,008 0,012 V (прототип) 0,1 0,8 1,7 15,0 9,8 4,1 0,75 0,08 - 0,012 0,017

Таблица 3 Варианты сварочной проволоки σ_в, МПа σ_0,2, МПа δ₅, % µ, ед. Работа удара, KV, Дж при температуре +20°C -40°C I II, IV III V (прототип)

Таблица 4 Варианты сварочной проволоки Сварочно-технологические характеристики Параметр чувствительности к коррозионному растрескиванию металла шва, β стабильность горения дуги отделяемость шлаковой корки I удовлетворительная удовлетворительная 0,92 II удовлетворительная удовлетворительная 0,94 III удовлетворительная удовлетворительная 0,91 IV высокая хорошая 0,97 V (прототип) удовлетворительная плохая 0,91

Оптимальные пределы содержания компонентов сварочной проволоки заявленных составов, а также их соотношения определяли по результатам оценки сварочно-технологических свойств, механических испытаний и определения магнитной проницаемости металла сварных швов образцов.

В соответствии с требованием в отношении показателя магнитной проницаемости металла шва, выполненного сваркой аустенитной проволокой, он не должен превышать значения 1,01. Как следует из таблицы 3, магнитная проницаемость металла шва, полученного при использовании сварочной проволоки для механизированной сварки конструкций из немагнитной высокопрочной азотистой стали, изготовленной согласно предлагаемому изобретению, составляет не более 1,01. У проволоки-прототипа магнитная проницаемость металла шва составляет 2,6-3,2, что делает невозможным ее применение для сварки данного класса сталей.

Исходя из результатов испытаний по определению магнитной проницаемости металла шва, коррозионной стойкости сварных соединений и сварочно-технологических свойств проволоки, а также на основании микроструктурного исследования металла шва были определены оптимальные составы предлагаемой сварочной проволоки, которыми являются составы II и IV, содержание компонентов которых указано в таблице 1.

Результаты сравнительных испытаний показывают, что заявленный состав II сварочной проволоки по сравнению с известным позволяет добиться требуемой низкой магнитной проницаемости металла шва. Как видно из таблицы 4, заявленный состав IV, дополнительно легированный цирконием, помимо низкой магнитной проницаемости металла шва обеспечивает также более высокую коррозионную стойкость сварных соединений в сочетании с улучшенными сварочно-технологическими свойствами.

Таким образом, предлагаемые составы сварочной проволоки для механизированной сварки конструкций из немагнитной высокопрочной азотистой стали позволяют обеспечить требуемую низкую магнитную проницаемость металла шва в сочетании с высокими сварочно-технологическими характеристиками и коррозионной стойкостью сварных соединений, а также обеспечить стабильность механических свойств, что в значительной мере расширяет ее технологические возможности по сравнению с прототипом.

Источники информации

1. ТУ 14-1-2921-80 «Проволока стальная сварочная марки Св-10Х19Н11М4Ф (ЭП-647). Технические условия».

Изобретение относится к области металлургии и сварки, а именно к сварочным проволокам, используемым для механизированной сварки в среде защитных газов конструкций из немагнитной высокопрочной аустенитной азотистой стали, применяемой в различных отраслях промышленности, в частности судостроении и нефтехимической промышленности. Проволока содержит углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий, азот, серу, фосфор и железо в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,04-0,08, кремний 0,6-0,9, марганец 3,5-4,0, хром 19,0-21,0, никель 15,0-17,0, молибден 2,4-2,8, ванадий 0,01-0,03, азот 0,15-0,25, сера 0,005-0,010, фосфор 0,010-0,015, железо остальное. Проволока может дополнительно содержать цирконий в количестве 0,05-0,10 мас.%. Достигается требуемая низкая магнитная проницаемость металла шва, а также достигается коррозионная стойкость и улучшенные сварочно-технологические свойства. 1 з.п. ф-лы, 4 табл.

1. Проволока для механизированной сварки конструкций из немагнитной высокопрочной азотистой стали, включающая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий, азот, серу, фосфор, железо, отличающаяся тем, что она содержит указанные компоненты в следующих количествах, мас.%:
углерод 0,04-0,08 кремний 0,6-0,9 марганец 3,5-4,0 хром 19,0-21,0 никель 15,0-17,0 молибден 2,4-2,8 ванадий 0,01-0,03 азот 0,15-0,25 сера 0,005-0,010 фосфор 0,010-0,015 железо остальное

2. Проволока по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит цирконий в количестве 0,05-0,10 мас.%.