СВАРОЧНАЯ ПРОВОЛОКА ДЛЯ СВАРКИ ВЫСОКОНИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ Российский патент 2015 года по МПК B23K35/30 C22C19/05 

Изобретение относится к металлургии жаропрочных сплавов, содержащих в качестве основы никель, хром, молибден, вольфрам, железо, марганец, а также углерод, кремний, цирконий, иттрий, кальций, и предназначено для сварки высоконикелевых сплавов, применяемых для высокотемпературных установок с температурой эксплуатации от 800 до 950°C в газовой среде. Известно, что для сварки высоконикелевых жаропрочных сталей и сплавов для установок, эксплуатирующихся до температуры 750°C, используются следующие материалы: Св-03Х15Н35Г7М6Б, Св-30Х15Н35В3Б3Т, Св-03Х20Н45Г6М6Б-ВИ [1-4]. Эти сварочные материалы не могут быть использованы при сварке деталей для высокотемпературных установок с температурой эксплуатации от 800 до 950°C, так как имеют низкие значения длительной прочности при этих температурах и низкую технологическую прочность при сварке, а наиболее близкой по составу компонентов является сварочная проволока марки Т-22 (06Х15Н35Г7В7М3Т) [5], принятая за прототип, содержащая компоненты, в масс.%

Углерод до 0,08 Хром   14,5-16,0 Кремний   0,2-0,35 Марганец   5,5-7,0 Молибден   2,4-3,2 Вольфрам   6,0-7,5 Алюминий   0,3-0,5 Титан до 0,8 Железо   Остальное Никель   34,0-36,0

Металл сварного шва, выполненный сварочной проволокой известного состава, используется для конструкций, работающих при температурах до 750°C, однако он имеет недостаточную длительную прочность при температурах 800-950°C, а также склонен к горячим трещинам при сварке, и недостаточные кратковременные механические свойства.

Техническим результатом изобретения является создание сварочной проволоки, обладающей более высокой длительной прочностью до температуры 950°C и повышенным уровнем технологической прочности при сварке и кратковременных механических свойств.

Технический результат изобретения достигается за счет того, что в сварочной проволоке, содержащей углерод, хром, кремний, марганец, молибден, вольфрам, железо и никель - дополнительно введены азот, иттрий, цирконий и кальций при следующем содержании компонентов в масс.%:

Углерод 0,01-0,05 Кремний 0,05-0,20 Марганец 1,3-2,0 Хром 14,0-16,0 Молибден 6,0-7,0 Вольфрам 2,5-3,5 Железо 17,0-20,0 Азот 0,01-0,04 Иттрий 0,01-0,1 Цирконий 0,05-0,15 Кальций 0,001-0,1 Никель и примеси Остальное Примеси:   Сера менее 0,010 Фосфор менее 0,015

Первоочередной задачей при создании сварочной проволоки для высоконикелевых сплавов является стойкость сварного соединения к образованию горячих трещин. Количественным критерием является показатель технологической прочности Акр, то есть максимальная скорость принудительной деформации свариваемых образцов, при которой не происходит появления горячих трещин [6]. Чем она выше, тем менее склонен сварной шов к образованию горячих трещин.

Углерод. Содержание углерода более 0,05% приведет к неустойчивости структуры, появлению на границах зерен крупных карбидов Ме₂₃С₆, при этом снижается длительная прочность, длительная пластичность и ударная вязкость. Поэтому содержание углерода ограничено 0,05%.

Кремний. Увеличение содержания кремния свыше 0,30% снижает А_кр, приводя к появлению трещин при сварке [6]. Его содержание было ограничено 0,20%.

Марганец. Увеличение марганца от 2,0 до 5,5÷7,0% (как в известной сварочной проволоке) не повышает (А_кр), но снижает длительную прочность, особенно при температурах 900-950°C [7]. Кроме того, при изготовлении сварочной проволоки с более чем 4% Mn недопустимо по нормам экологической безопасности на металлургических заводах (вредное воздействие окислов марганца на человека).

Хром. Содержание хрома в заявляемой сварочной проволоке не изменяется по сравнению с известным составом, так как при более высоком содержании хрома (17-20%) при эксплуатации могут появиться интерметаллиды (Fe, Cr)₂Mo (Fe, Cr)₂W, что приводит к разупрочнению [7]. Поэтому в изобретении содержание хрома находится в пределах 14,0÷16,0%.

Молибден и вольфрам. При определении содержания молибдена и вольфрама были приняты во внимание результаты прогнозирования склонности к выделению фаз в высоконикелевых сплавах, изложенные в работах [8, 9]. Соотношение между содержанием Мо и W должно быть 2,0-2,5. Большее значение соотношения приводит к появлению охрупчивающих фаз, а меньшее - к снижению длительной прочности и стабильности механических свойств. Молибден и вольфрам в основном находятся в твердом растворе аустенита и упрочняют матрицу.

Увеличение содержания Мо и W или изменение соотношения Mo/W приведет к большему выпадению интерметаллидных фаз, их коагуляции и, следовательно, к снижению длительной прочности.

Титан и алюминий в известный состав электродов ЦТ-22 вводят для упрочнения за счет дисперсионного твердения, связанного с образованием фазы типа Ni₃(Ti, Al), однако эта фаза при температурах более 800-850°C является неустойчивой, что снижает высокотемпературную прочность. Для условий эксплуатации при 800-950°C эти элементы приведут к разупрочнению, поэтому их применять нецелесообразно.

Иттрий. Иттрий вводят в сварочную проволоку для повышения высокотемпературных пластических свойств, так как он очищает границы зерен от легкоплавких примесей, образуя с ними тугоплавкие соединения.

Известно [10], что введение 0,01-0,05% иттрия в высоконикелевый сплав повышает относительное удлинение на 10-15% при высоких температурах.

Технологичность при ковке слитков и поковок существенно повышается, аналогичным образом повышается и А_кр при сварке, что позволяет сваривать высоконикелевые сплавы без горячих трещин.

Цирконий. Цирконий связывает углерод и азот, создавая мелкодисперсные карбиды и нитриды, что способствует повышению длительной прочности. Образование и растворение ZrC, ZrN происходит при температурах 1150-1250°C, то есть карбиды и нитриды циркония обладают высокой стойкостью при температурах эксплуатации (до 950°C). Упрочняющее влияние циркония объясняется еще тем, что, с одной стороны, он является сильным раскислителем, повышая качество металла, а с другой, будучи поверхностно активным элементом, располагается в пограничных объемах и затрудняет протекание диффузионных процессов.

Кальций. Кальций имеет большое сродство с серой, образуя высокотемпературное соединение CaS, что приводит к повышению высокотемпературной пластичности материала за счет уменьшения сегрегатов и очистки матрицы от серы, при этом снижается склонность к образованию горячих трещин при сварке.

Сера и фосфор. Для увеличения прочности границ зерен и повышения пластичности при высоких температурах необходимо ограничить содержание серы и фосфора по сравнению с известной сварочной проволокой, так как сера и фосфор на границах зерен образуют легкоплавкие эвтектики. Поэтому в заявляемой сварочной проволоке серы и фосфора должно быть не более 0,010 и 0,015% соответственно.

Были выплавлены плавки предлагаемого и известного составов в индукционных печах с основным тиглем, проведена горячая пластическая обработка, включающая ковку и прокатку в интервале температур 1180-960°C, и волочение. Получена проволока диаметром 1,6, 2, 3, 4 и 5 мм, прошедшая термообработку, и осуществлена сварка с использованием этой проволоки пластин толщиной до 40 мм из сплава марки 05Х19Н50М6В3Ц, исследованы механические свойства, длительная прочность и склонность металла сварного шва к образованию горячих трещин при сварке (по показателю технологической прочности А_кр).

Химический состав сварочной проволоки приведен в таблице 1, химический состав металла шва - в таблице 2, свойства металла шва - в таблице 3.

При этом химический состав свариваемого металла в масс.% составлял:

Углерод 0,037 Кремний 0,1 Марганец 1,6 Хром 17,7 Молибден 6,1 Вольфрам 2,7 Железо 17,9 Иттрий 0,06 Цирконий 0,10 Кальций 0,005 Сера 0,01 Фосфор 0,015 Никель Остальное

Таблица 1 Химический состав сварочной проволоки Сварочная проволока Условный номер плавки Химический состав, вес.% С N Si Mn Cr Мо W Fe Y Zr Са Примеси Ni S Р Предлагаемая 1 0,01 0,01 0,05 1,30 14,0 6,0 2,5 17,0 0,01 0,05 0,001 0,010 0,008 остальное 2 0,03 0,02 0,15 1,5 15,0 6,5 3,0 18,4 0,05 0,10 0,05 0,006 0,006 остальное 3 0,05 0,04 0,20 2,0 16,0 7,0 3,5 20,0 0,1 0,15 0,1 0,005 0,015 остальное Известная 4 0,038 - 0,10 1,72 15,5 3,1 6,5 Ост.     - 0,012 0,016 35,6

Таблица 2 Химический состав металла сварного шва (аргонодуговая сварка) Сварочная проволока Условный номер плавки Химический состав, вес.% С N Si Mn Cr Мо W Fe Y Zr Са Примеси Ni S Р Предлагаемая 1 0,020 0,01 0,04 1,4 13,8 5,8 2,0 17,0 0,004 0,05 0,001 0,007 0,007 ОСТ. 2 0,031 0,02 0,12 1,0 14,6 6,2 2,9 18,2 0,04 0,07 0,04 0,005 0,006 ОСТ. 3 0,043 0,04 0,20 1,9 15,3 6,4 3,3 19,2 0,08 0,15 0,08 0,005 0,009 ОСТ. Известная 4 0,036 - 0,10 1,46 15,5 3,0 6,4 Ост. - - - 0,011 0,012 35,0

Таблица 3 Свойства металла сварного шва Сварочная проволока Условный номер плавки Предел прочности, МПа Предел текучести, МПа Технологическая прочность А_кр, мм/мин Длительная прочность при 950°C за 1000 час, МПа +20°C +950°C +20°C +950°C Предлагаемая 1 617 147 323 137 2,3 24,5 2 625 167 348 139 2,5 26,0 3 640 186 353 141 2,7 26,5 Известная 4 608 127 245 108 0,9 17,6

Примечания:

1. Результаты механических испытаний усреднены по трем образцам на точку.

2. Для оценки технологической и длительной прочности использовано по 6 образцов на точку.

Из таблицы 3 следует, что пределы прочности и текучести металла сварного шва при температурах 20 и 950°C выше у предлагаемой сварочной проволоки, чем у известной. Длительная прочность при температуре 950 C за 1000 часов также выше. Склонность к горячему трещинообразованию у известной сварочной проволоки выше чем у предлагаемой, что следует из оценки технологической прочности (Акр).

Ожидаемый технико-экономический эффект, который может быть получен при использовании предлагаемого состава сварочной проволоки, выразится в увеличении надежности и срока службы энергетических установок, сварные соединения которых работают при повышенных до 950°C температурах за счет повышения длительной прочности металла сварного шва, а также в снижении брака и трудоемкости при проведении сварочных работ за счет повышения технологической прочности металла шва (отсутствие горячих трещин).

Источники информации

1. Правила и нормы в атомной энергетике. (ПН АЭ Г-7-009-89).

2. Шоршоров М.Х., Банных О.А., Антипов В.И. и др. Сплав Н70ВТЮ-ИД (ЭК-27-ИД). Физика и химия обработки материалов. М.: 1977, №1, с.112.

3. Шоршоров М.Х. Горячие трещины при сварке жаропрочных сплавов. М.: Машиностроение, 1974, с.189.

4. Journal of Engineering Materials and Technology. V 107, №1, 1985.

5. Закс И.А. Электроды для дуговой сварки сталей и никелевых сплавов. Справочное пособие. С-Петербург, 1996 г., с.275-278.

6. Заболоцкий В.М. и др. Исследование свариваемости высоконикелевых аустенитных сплавов типа 03Х20Н45М3Б. Вопросы судостроения. Сварка. Вып.33, 1982 г.

7. Химушин Ф.Ф. Жаропрочные стали и сплавы. М.: Металлургия, 1964.

8. Трапезников Ю.М., Михайлов А.С. Прогнозирование склонности жаропрочной стали к выделению охрупчивающих фаз. Вопросы судостроения. Металловедение. №43, 1985.

9. Трапезников Ю.М., Михайлов А.С. Выбор легирующего комплекса в целях разработки материала для длительной работы до 900°C. Технология судостроения, №12, 1985.

10. Трапезников Ю.М., Бережко Б.И., Зимин Г.Г. Исследование влияния технологии изготовления трубной заготовки на свойства стали 03Х20Н32М3Б. Вопросы судостроения. Сер. Металлургия, вып. 29, 1980 г.

Изобретение относится к металлургии жаропрочных сплавов для сварочной проволоки и может быть использовано для сварки деталей из высоконикелевых сплавов высокотемпературных установок с температурой эксплуатации до 950^оC. Сварочная проволока содержит, мас.%: углерод 0,01-0,05, кремний 0,05-0,2, марганец 1,3-2,0, хром 14,0-16,0, молибден 6,0-7,0, вольфрам 2,5-3,5, железо 17,0-20,0, азот 0,01-0,04, иттрий 0,01-0,1, цирконий 0,05-0,15, кальций 0,001-0,1, сера менее 0,010, фосфор менее 0,015, никель - остальное. Сварочная проволока характеризуется повышенными технологической прочностью и высокими кратковременными механическими свойствами и длительной прочностью при температурах до 950^оC. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Сварочная проволока для сварки высоконикелевых сплавов, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, молибден, вольфрам, железо и никель, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены азот, кальций, цирконий и иттрий при следующем содержании компонентов, мас.%:
Углерод 0,01-0,05 Кремний 0,05-0,20 Марганец 1,3-2,0 Хром 14,0-16,0 Молибден 6,0-7,0 Вольфрам 2,5-3,5 Железо 17,0-20,0 Азот 0,01-0,04 Иттрий 0,01-0,1 Цирконий 0,05-0,15 Кальций 0,001-0,1 Никель и примеси Остальное

2. Сварочная проволока для сварки высоконикелевых сплавов по п.1, отличающаяся тем, что в качестве примесей она содержит серу и фосфор при следующем содержании, мас.%:
Сера менее 0,010 Фосфор менее 0,015