Состав сварочного материала Советский патент 1992 года по МПК B23K35/30 C22C38/50 

1

(21)4926699/08 (22) 25.02.91 (46)15.12.92. Бюл. № 46

(71)Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов Прометей

(72)Р.АЖозлов, В.А.Игнатов, Г.ПЖарзов, Н.Б.Щербинина, Т.А.Колмакова, Г.Е.Зубова, Н.Ю.Дунаевская, Е.М.Красник, А.Р.Ис- хаков, А.В.Грибанов, А.А.Ходасевич, В.П.Павлов, Н.М.Королев, В.И.Кружков и М.Ф.Егоров

(56)Сварка в машиностроении. Справочник. Т. 2 / Под ред. А.И.Акулова, с. 13.

Авторское свидетельство СССР № 1232445,кл. В 23 К 35/30,1983. (54) СОСТАВ СВАРОЧНОГО МАТЕРИАЛА

(57)Использование: Наплавка реакторов гидрокрекинга нефти, работающих в среде

водорода высоких параметров применительно к химическому машиностроению и нефтеперерабатывающей промышленности. Сущность изобретения: Сварочная лента имеет следующий состав, мас.%: углерод-0,004-0,015, кремний-0,2-0,4, марганец - 0,5-1,0, хром - 19,5-23,0, никель - 14,5-18,0, молибден - 2,0-2,5, титан - 0,06- 0,15, кальций - 0,03-0,05, калий - 0,01-0,03, железо - остальное. Отношение суммарного содержания титана и кальция к углероду составляет 10-30. Состав способствует повышению стойкости против отслаивания наплавленного металла по границе сплавления и значительному повышению сопротивления хрупкому разрушению зоны сплавления после термической обработки, Зтабл.

(Л

С

Изобретение относится к производству сварочных (наплавочных) материалов и может быть использовано для водородостой- кой наплавки перлитных реакторных сталей, работающих в среде водорода при высоком давлении (160 атм) и температуре 450-550° С (гидрокрекинг неф™).

В настоящее время для выполнения первого слоя водородостойкой наплавки реакторов гидрокрекинга нефти по аналогии с технологией наплавки реакторов атомных энергетических станций (АЭС) применяется аустенитно-ферритная сварочная ле-нта марки Св-07Х25Н 13.

Основными недостатками примен н«я этой сварочной ленты является склонность к так называемому отслаиванию наплавки

в процессе эксплуатации, а также охрупчи- взние ее в процессе термической обработки при 660-720° С.

Поэтому с целью снижения склонности к отслаиванию и охрупчиванию в процессе эксплуатации необходимо было разработать новую сварочную ленту для выполнения 1-го слоя водородостойкой наплавки перлитных сталей, работающих в среде водорода при повышенных температурах и давлении.

Наплавка выполняется автоматическим способом с использованием известного плавленого флюса марки 480Ф-ТО. При этом обеспечивается отсутствие отслаивания наплавки при эксплуатации реакторов гидрокрекинга нефти в среде водорода высоких

-ч

00

о ю о ел

параметров, а также повышается сопротивление хрупкому разрушению металла как зоны сплавления наплавки, так и самого металла наплавки.

Из известных сварочных материалов по составу наиболее близко подходит к предлагаемой сварочная проволока, которая имеет следующий состав,мас.%:

Углерод0,002-0,06

Кремний0,05-0,7

Марганец1,0-2,0

Хром16,0-18,0

Никель8,5-11,0

Молибден1,0-2,0

Алюминий0,01-0,2

Титан0.01-0,15

Ниобий0,01-0,1

Цирконий0,01-0,15

Азот0,005-0,1

Иттрий0,01-0,1

Кальций0,008-0,02

ЖелезоОстальное

причем (Сг I- Мо) 0,55 от указанного количества Сг+14,5 мас.%

Однако указанный известный сварочный материал не может быть применен в качестве наплавочного материала для 1-го слоя водородостойкой наплавки на перлитную сталь в связи с пониженным содержанием хрома и никеля по сравнению с заявляемым составом. При расчете структуры металла наплавки по диаграмме Шефф- лера установлено, что пониженные значения Сгэ и М эпрототипа приводят при наплавке на перлитную сталь (10-20% перемешивания с основным металлом) к образованию в зоне сплавления хрупких мартенситных прослоек с повышенной твердостью и низкими значениями ударной вязкости в связи с малым запасом аустенит- ности известной сварочной проволоки.

Наличие переходных мартенситных прослоек способствует отслаиванию наплавленного металла в процессе эксплуатации, а также не может обеспечить стойкость его против охрупчивания в процессе термообработки.

Кроме того, пониженное содержание Мо в составе известной сварочной проволоки также не способствует обеспечению стойкости против отслаивания из-за недостаточного связывания углерода из твердого раствора в более стойкие карбиды молибдена по сравнению с карбидами хрома, менее стойкими против воздействия водорода с образованием газа метана, приводящего к отслаиванию наплавки в процессе эксплуатации.

Вместе с тем пониженное содержание кальция (менее 0,02%) не обеспечит достаточно полного раскисления наплавленного металла, а также измельчения зерна в первом слое наплавки с целью повышения стойкости его против отслаивания. Отсутствие в составе известной сварочной проволоки калия обусловливает низкую стабильность горения дуги.

Целью изобретения является создание сварочной ленты для наплавки 1-го слоя во- 0 дородостойкого покрытия перлитных сталей реакторов гидрокрекинга нефти, работающих в среде водорода с высоким давлением и температурой, обеспечивающей отсутствие отслаивания наплавки при 5 эксплуатации, повышение сопротивления хрупкому разрушению и воздействия водорода высоких параметров, а также повышения стабильности горения дуги.

Это достигается тем, что в сварочную 0 ленту, содержащую углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, титан, кальций и железо, дополнительно введен калий при следующем соотношении компонентов, мас.%: 5 Углерод0.004-0,015

Кремний0,2-0,4

Марганец0,5-1,0

Хром,19,5-23,0

Никель14,5-18,0

0 Молибден2,0-2,5

Титан0,06-0,15

Кальций0,03-0,05

Калий0,01-0,03

Сера0,008-0,015

5 Фосфор0,008-0,015

ЖелезоОстальное

При этом отношение суммарного содержания титана и кальция к углероду 10-30.

Расширение пределов легирования по 0 Сг(19,5-23,0)% при повышении содержания NI (14,5-18,0)%, а также изменение пределов легирования Мо и SIсвязано с необходимостью получения определенного значения эквивалента хрома и никеля, рас- 5 считанного по диаграмме Шеффлера. Это обеспечивает получение в первом слое наплавки аустенитную структуру с небольшим количеством д -феррита (2-5)% (составы 1,2 и 3 в табл. 2), что гарантирует высокое со- 0 противление наплавленного металла образованию горячих трещин и отсутствие его охрупчивания после термической обработки.

Введение в состав сварочной ленты ти- 5 тана не менее 0,06% и не более 0,15% способствует образованию водородостойких карбидов титана вместо карбидов хрома, взаимодействующих с водородом, что повышает сопротивляемость отслаиванию наплавленного металла,

Легирование элементами - модификаторами титаном и кальцием (не менее

0,03%) в количестве 10-30 обеспечивает измельчение зерна (балл зерна 4-6, табл. 3) в зоне сплавления наплавки, тем самым обеспечивая отсутствие отслаивания при более полном раскислении наплавленного металла. Введение Са более 0,05% металлургически не осуществимо. Ограничение содержания углерода до 0,015% применением вакуум но-индукцион- ного метода выплавки позволяет повысить водородостойкость наплавки за счет уменьшения количества карбидов. Ограничение содержания,марганца в пределах 0,05-1,00% способствует понижению водородной хрупкости.

Дополнительное введение в состав сварочной ленты калия (не менее 0,01 %) обеспечивает повышение стабильности горения дуги под флюсом, но не более 0,03%, что позволяет получить более стабильный по химическому составу и структуре наплавленный металл. При введении К более 0,03% стабильность горения дуги нарушается.

Для подтверждения сказанного были изготовлены (см. табл. 1) 3 плавки предлагаемой сварочной ленты (№ 1-3) и 2 плавки с запредельным содержанием элементов (№ 4-5).

Кроме того, для сравнения была использована известная лента марки Са-07Х25Н13 промышленной поставки (№ 6) и известные электроды марки ЗИО-8 (№ 7), химический состав наплавленного металла которых приведен в табл.1.

Предлагаемыми и известными сварочными лентами производилась многослойная наплавка на сталь марки 15Х2МФА-А автоматическим методом под слоем флюса марки 480Ф-10, а также производилась наплавка электродами марки ЗИО-8.

Из пластин с наплавкой изготавливались образцы диаметром 80 мм. высотой 45 мм (5Напл. 8 мм)для оценки площади отслаивания наплавки в среде водорода, образцы на определение ударной вязкости металла наплавки и зоны сплавления с 1-м слоем наплавки при испытании на ударный изгиб и определения работы зарождения (А3.т.) и распространения (Ар.т.) трещины при испытании на статический изгиб. Изготавливались шлифы для определения балла зерна в зоне сплавления наплавки (ГОСТ 5639-82), ширины карбидной гряды, замеров твердости.

0

5

0

5

0

5

0

5

Производилась оценка стабильности горения дуги при наплавке предлагаемой сварочной лентой и известными сварочными материалами.

Перед изготовлением образцов пластины с наплавкой подвергались двойному отпуску: при 660 ±10° С, выдержке 24 ч, охлаждении до 300° С с печью, далее на воздухе и отпуске при 720-ю0 С, выдержке 15 ч, охлаждении до 300° С с печью, далее на воздухе.

Испытания в среде водорода производили при 450° С, выдержке 24 ч, охлаждении со скоростью 100° С/ч.

Результаты испытаний и исследований приведены в табл./2, 3.

Как видно из . 2, при автоматической наплавке предлагаемой сварочной лентой обеспечивается резкое повышение сопротивления хрупкому разрушению наплавленного металла со структурой (А+2- 5% Ф) (см. табл. 2, составы 1-3), по сравнению с использованием известных за счет отсутствия сигматизации после термической обработки. При этом относительное удлинение составляет 30-32%, относительное сужение - 60-65%, а значения ударной вязкости - 120-180 Дж/см2.

Сопротивление хрупкому разрушению зоны сплавления при использовании предлагаемой ленты также выше, чем при использовании известных материалов за счет более низкого содержания углерода в наплавленном металле (табл.3) при выделении мелкодиспесных карбидов титана по телу зерна по сравнению с карбидами хрома по границе зерен при применении известных сварочных материалов (Вк.гр.0,02-0,05 мм). При этом значение ударной вязкости зоны сплавления при выполнении предлагаемой сварочной лентой составляет 50-80 Дж/см2, работа зарождения и распространения трещины соответственно 60-80 Дж, 30-50 Дж/см2.

При применении предлагаемой сварочной ленты отсутствует отслаивание наплавки (табл. 3) за счет измельчения зерна в 4-6 раз в зоне сплавления наплавки (балл зерна 4-6, см, табл. 3) при введении в состав ленты

0 элементов - модификаторов титана и кальция в отношении 10-30. связывание углерода в водородостойкие карбиды титана. При использовании известной сва5 рочной ленты площадь отслаивания наплавки в среде водорода составляет от 30% (электроды ЗИО-8) до 100% - лента марки Са-07Х25Н13. При этом балл зерна в зоне сплавления наплавки составляет 3-4 (см.

табл. 3).

При этом ударная вязкость зоны сплав- л еййя наплавки после испытания в среде водорода при 450° С и давлении 160 атм значительно выше при использовании предлагаемой сварочной ленты (№ 1-3), чем при использовании известных сварочных материалов (Мг 6-7).

При наплавке лентой с запредельным содержанием по углероду, кремнию, марганцу, хрому, никелю, молибдену, титану, кальцию, калию, а также отношением

Т| | Г- ,-..-Р- (№ 4) наплавленный металл имеет

чисто аустенитную структуру (см. табл. 2, состав 4) и имеет склонность к образованию горя чих трещин при наплавке. ПрШ№йм при перемешивании с перлитной сталью (20- 40%) марки 15Х2МФА-А npi автоматической наплавке в зоне сплавления возможно образование мартенситной структуры, приводящей к повышению твердости границы сплавления ( МПа) и бхрупчйванйю металла зоны сплавления ( Дж/см2, А3.т.10 Дж, Ар. Дж/см7).

При этом наблюдается незначительное отслаивание наплавки (площадь отслаивания составляет 10%) за счет ннекого содержания элементов-модификаторов (TI и Са) и значительного отклонения отношения

от оптимального значения (35 вместо 30) при балле зерна,равном 3 (см. табл. 3).

Кроме того, недостаточное количество калия снижает стабильность горения дуги под флюсом (табл. 3).

При автоматической наплавке лентой под флюсом с запредельным содержанием по углероду, кремнию, марга нцу, , никелю, молибдену, титану, кальцию, калию, а

также отношением (Мг 5) наплавленный металл «одбергаетСя оУруКчиванию после термической обработки за счёт процесса сигматизации ( ,V 15%, Дж/см2). При этом сопротивление хрупкому разрушению зонь сплавлёйия недостаточно высокое за счет высокого содер- ,f

iVfc-- .- j i

(. а,НмЈ-ьЈ i.A, -я Ј«

-г И

жания углерода в металле наплавки Дж/см2, Аз.т.Зв Дж, Ар. Дж/см2). Также наблюдается отслаивание наплавки (20% площади образца) при балле зерна 4 за счет

TI + Са

недостаточности отношения -р- от оптимального значения (8 место 10) и выделения карбидов хрома по границам зерен наряду с образованием карбидов титана. Технико-экономическая эффективность изобретения заключается в повышении надежности и безопасности эксплуатации реакторов гидрокрекинга нефти при снижении продолжительности простаивания химиче- ского оборудования из-за ремонта наплавки при применении автоматической наплавки лентой и в исключении отслаивания наплавки при эксплуатации в среде водорода при значительном повышении сопротивления хрупкому разрушению при применении предлагаемой сварочной ленты по сравнению с известной сварочной лентой. Формулаизобретения Состав сварочного материала, включа- ющий углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, титан, кальций, железо, отличающийся тем, что, с целью предотвращения отслаивания наплавленного металла в процессе эксплуатации и ох рупчивания в процессе термообработки при использовании состава для водородостой- кой наплавки реакторов гидрокрекинга нефти, состав содержит дополнительно калий при следующем соотношении ингредиен- тов, мас.%:

Углерод0,004-0,015

Кремний0,2-0,4

Марганец0,5-1,0

Хром19,5-23,0

Никель14,5-18,0

Молибден2,0-2,5

Титан0,06-0,15

Кальций0,03-0,05

Калий0,01-0,03

ЖелезоОстальное

причем отношение суммарного содержания титана и кальция к углероду составляет 10-30.

Химический состав предлагаемой сварочном ленты и известных сварочных материалов

Таблица 2

Ударная вязкость работа зарождения и распространения трещины металла ясны сплавления наплавки со сталью 15Х2МОА, механические свойства наплавленного металла, выполненного предлагаемой сварочной, лентой и известными сварочными материалами (отпуск при 660°С - 2 ч, воздух; 720°С - 15 ч, воздух)

.Предлагаемая сварочТаблицаЗ

Балл зерна в зоне сплавления, ширина карбидной гряды, твердость различных зон сварного соединения, площадь отслаивания наплляки после испытания в водороде, стабильность горения дуги при наплавке предлагаемой сварочной лентой и известными сварочными материалами (отпуск при - 2k ч, воздух, /20аС - 15 ч, воздух)

Таблица 1