СВАРОЧНАЯ ЛЕНТА
WELDING STRIP

Изобретение относится к металлургии сложнолегированных сварочных материалов, содержащих железо, хром, никель, углерод, марганец, и может быть использовано для наплавки антикоррозионного покрытия изделий из сталей перлитного класса для атомного энергетического машиностроения, эксплуатирующегося при температуре до 350°С в условиях контакта с первичным водным теплоносителем, а также реакторов гидрокрекинга и другого нефтехимического оборудования, работающего при температуре до 500°С.
Известны сварочные материалы-аналоги: лента марок Св-08Х19Н10Г2Б по ТУ 14-1-3146-81, Св-04Х20Н10Г2Б по ТУ 14-1-2270-77, широко применяемые для выполнения второго (коррозионностойкого) слоя антикоррозионной наплавки оборудования атомных энергетических установок и нефтехимии.
Сварочные материалы состава Св-08Х19Н10Г2Б и Св-04Х20Н10Г2Б характеризуются удовлетворительной технологичностью при наплавке и достаточно высоким уровнем механических свойств и коррозионной стойкости наплавленного металла, однако металл наплавки, выполненный с их применением, обладает низким запасом аустенитности, что приводит к образованию хрупких мартенситных прослоек в зоне сплавления с основным металлом - теплоустойчивой сталью перлитного класса типа 15Х2МФА. Это вызывает необходимость производить наплавку подслоя непосредственно на основной металл сварочными материалами типа Св-07Х25Н13 с более высоким запасом аустенитности, что значительно увеличивает трудоемкость процесса наплавки антикоррозионного покрытия и приводит к удорожанию изготавливаемого оборудования.
Актуальной задачей является создание сварочных материалов для выполнения однослойной антикоррозионной наплавки вместо применяемой в настоящее время двухслойной.
Известны зарубежные сварочные материалы, применяемые для однослойной антикоррозионной наплавки аналогичного оборудования. Наиболее близким к предлагаемому сварочному материалу по технической сущности, химическому составу, свойствам и назначению является сварочная лента фирмы ESAB OKBand 11.72 (прототип), изложенный в журналах "Вопросы материаловедения", 2007, №3(51), с.89-95, а также Svetsaren, 2001, №2-3, рр.62-67, со следующей средней массовой долей элементов, %:
углерод 0,01
ниобий 0,6
кремний 0,3
сера 0,010
марганец 1,8
фосфор 0,010
хром 21,0
железо - остальное
никель 11,0
содержание ферритной фазы в стали 9-12%
Сварочная лента указанного состава обеспечивает получение наплавленного металла, обеспечивающего коррозионную стойкость и требуемый уровень прочности и пластичности после термической обработки (отпуска) в интервале температур 610-640°С продолжительностью до 50 часов.
Недостатком указанной ленты-прототипа является повышенная склонность наплавленного металла к охрупчиванию после технологических отпусков при температуре 640÷675°С продолжительностью до 55 часов (необходимых для обеспечения требуемых свойств сварных соединений стали типа 15Х2МФА), которая проявляется в недопустимом снижении показателей пластичности и ударной вязкости (ниже требований Российской документации). Повышенная склонность к охрупчиванию обусловлена содержанием ферритной фазы более 8%. Известно, что при температуре 640÷700°С в металле наплавок указанного и подобных составов с содержанием ферритной фазы более 8% интенсивно протекают процессы выделения вторичных фаз (карбидов, карбонитридов, сигма-фазы), что приводит к существенному снижению характеристик пластичности и ударной вязкости.
Техническим результатом настоящего изобретения является разработка сварочной ленты для однослойной антикоррозионной наплавки, обеспечивающей повышенную сопротивляемость наплавленного металла охрупчиванию после отпусков в интервале температур 640-675°С продолжительностью до 55 ч, а также требуемые показатели пластичности и ударной вязкости при сохранении прочности и коррозионной стойкости.
Заявленный технический результат достигается оптимизацией сварочной ленты за счет того, что ее химический состав, содержащий железо, углерод, марганец, кремний, хром, никель, ниобий, серу, фосфор, дополнен алюминием, оловом, азотом, церием, иттрием при следующем соотношении массовой доли элементов, %:
углерод 0,010÷0,025
сера 0,001÷0,010
кремний 0,17÷0,35
фосфор 0,001÷0,015
марганец 1,4÷1,7
алюминий 0,05÷0,10
хром 19,5÷22,0
олово 0,001÷0,005
никель 11,0÷12,5
азот 0,01÷0,05
ниобий 0,5÷0,8
церий + иттрий 0,05÷0,10
железо - остальное
при этом должны выполняться следующие соотношения:
экв.
где [Сr]=%Cr+1,5·%Si+0,5·%Nb,
экв.
[Ni]=%Ni+30·%C+0,5·%Mn
Соотношение (3) требуется для получения содержания ферритной фазы в структуре стали в пределах 4-8%. При этом в наплавленном металле будет обеспечено оптимальное содержание ферритной фазы в пределах от 2 до 8%, необходимое для его стойкости против образования горячих трещин при наплавке и уменьшения охрупчивания наплавленного металла после отпусков.
экв.
экв.
Расчет содержания ферритной фазы производили по диаграмме Шеффлера (чертеж). На диаграмме нанесены отрезки, соответствующие минимальным и максимальным значениям эквивалента хрома [Сr] и эквивалента никеля [Ni] для разработанного состава. Полученный прямоугольник включает область составов, удовлетворяющих всем приведенным выше требованиям по заявляемому химическому составу, однако видно, что возможно получение содержания ферритной фазы в пределах от 0 до 15%, что недопустимо.
Для ограничения содержания ферритной фазы на диаграмме проведены линии, соответствующие 4% и 8% ферритной фазы, которые можно аналитически представить следующими уравнениями:
экв.
экв.
для содержания ферритной фазы 4%: [Ni]=[Сr]-7,45;
экв.
экв.
для содержания ферритной фазы 8%: [Ni]=0,94·[Сr]-7,35.
Многоугольник, ограниченный максимальными и минимальными значениями
экв.
экв.
[Сr] и [Ni] и линиями, соответствующими 4% и 8% ферритной фазы (заштрихованная область на чертеж), включает область составов, удовлетворяющих всем приведенным выше требованиям по заявляемому химическому составу и соотношению (3).
3
Алюминий в количестве 0,05-0,10% является модификатором, измельчая структуру наплавленного металла. При его содержании более 0,10% возможно образование межваликовых трещин за счет возникновения хрупких интерметаллидных фаз типа NiАl. При содержании алюминия менее 0,05% модифицирующее влияние алюминия не проявляется.
Введение 0,001-0,005% олова позволяет повысить жидкотекучесть расплавленного металла, что обеспечивает хорошее формирование наплавленного лентой валика без подрезов и несплавлений по краям. Однако олово при его содержании более 0,005% образует с никелем хрупкие соединения типа NiSn, которые ослабляют границы зерен при отпуске в интервале температур 600÷700°С и снижают прочность наплавленного металла. Олово в количестве менее 0,001% практически не влияет на вязкость расплава.
Азот наряду с углеродом участвует в образовании карбонитридов, концентрирующихся вдоль границ раздела фаз и способствует охрупчиванию наплавленного металла. Ограничение содержания азота не более 0,05% вызвано необходимостью снижения склонности наплавки к охрупчиванию при отпусках за счет уменьшения количества карбонитридов. При содержании углерода и азота менее 0,01% каждого возможно снижение прочностных характеристик наплавленного металла из-за недостаточного количества карбидов и карбонитридов в структуре.
Экспериментально установлено, что для обеспечения требуемой прочности границ зерен необходимо, чтобы суммарное содержание алюминия, олова и азота было не более 0,15%.
Сера и фосфор при суммарном содержании более 0,020% способствуют увеличению степени охрупчивания в условиях повышенной температуры, то есть при отпуске. Принятое ограничение верхних пределов серы и фосфора при условии выполнения соотношения (1) обеспечивает повышение технологической прочности при наплавке и сохранение в наплавленном металле достаточной пластичности в процессе эксплуатации. При содержании серы и фосфора менее 0,001% каждого происходит ослабление границ зерен и снижение прочности наплавленного металла в исходном состоянии.
Легирование иттрием и церием в суммарном количестве 0,05÷0,10% повышает технологическую прочность ленты при наплавке и пластичность наплавленного металла за счет очищения границ зерен от включений, способствующих охрупчиванию. Содержание РЗМ менее 0,05% не позволяет получить заметный эффект, а при содержании РЗМ более 0,10% увеличивается сегрегация легкоплавких эвтектик примесей по границам зерен, что приводит к снижению пластичности наплавки.
В опытном производстве института были выплавлены плавки стали предлагаемого и известных составов в индукционных печах с основным тиглем, произведена горячая пластическая обработка, включая ковку, горячую и холодную прокатку, в результате чего получена лента сечением 0,7×25 мм. С использованием этой ленты осуществили наплавку на теплоустойчивую сталь перлитного класса марки 10ГН2МФА, выполнили оценку технологичности, определили механические свойства и коррозионную стойкость наплавленного металла в исходном состоянии и после отпуска.
Химический состав сварочной ленты и расчет соотношений приведены в таблице 1, механические свойства и коррозионная стойкость наплавленного металла при испытании на межкристаллитную коррозию по методу АМУ в соответствии с ГОСТ 6032-2003 - в таблице 2.
Результаты испытаний подтверждают преимущество предлагаемого состава по пластичности и ударной вязкости наплавленного металла после технологических отпусков и облучения при обеспечении требуемого уровня прочностных показателей, что позволяет использовать их в атомных энергетических установках, а также для реакторов гидрокрекинга и нефтехимического оборудования.
Ожидаемый экономический эффект от применения предлагаемых материалов обусловлен возможностью выполнения однослойной антикоррозионной наплавки толщиной  мм взамен применяемой в настоящее время технологии двухслойной наплавки толщиной  мм, что позволит снизить трудоемкость наплавочных работ на 40-50% и вдвое уменьшить расход дорогостоящей наплавочной ленты при обеспечении требуемых механических характеристик и коррозионной стойкости наплавленного металла.