СВАРОЧНАЯ ПРОВОЛОКА ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СВАРКИ ТЕПЛОУСТОЙЧИВЫХ СТАЛЕЙ ПЕРЛИТНОГО КЛАССА
WELDING WIRE FOR AUTOMATIC WELDING OF HEAT-RESISTANCE PEARLITIC STEELS

Изобретение относится к производству сварочных материалов и может быть использовано для автоматической сварки теплоустойчивых сталей 2,25Cr-1Mo-0,25V композиции при изготовлении изделий в нефтехимическом машиностроении.
Для обеспечения надежности и долговечности оборудования металл сварного шва должен обладать комплексом технологических и служебных свойств: высокой прочностью и пластичностью, высокой ударной вязкостью при низких температурах, стойкостью против теплового охрупчивания и длительной прочностью при рабочих температурах.
В настоящее время для сварки 2,25Cr-1Mo-0,25V композиции при изготовлении нефтехимического оборудования предусматривается применение сварочной проволоки марки Св-10ХМФТУ по ТУ 14-1-4914-90, содержащей в своем составе, %:
Углерод
0,07-0,12
Сера
не более 0,012
Кремний
не более 0,35
Фосфор
не более 0,010
Марганец
0,4-0,7
Никель
не более 0,3
Хром
1,4-1,8
Медь
не более 0,06
Титан
0,05-0,12
Алюминий
не более 0,05
Молибден
0,4-0,6
Азот
не более 0,015
Ванадий
0,20-0,35
Железо
Остальное
Наиболее близким к заявленному составу является состав сварочной проволоки по патенту Российской Федерации №2451588 (прототип), имеющий химический состав, %:
Углерод
0,13-0,18
Кислород
0,001-0,005
Кремний
0,15-0,40
Олово
0,0001-0,001
Марганец
0,30-1,20
Сурьма
0,001-0,008
Хром
1,5-2,5
Мышьяк
0,001-0,01
Никель
0,01-0,20
Кобальт
0,005-0,02
Молибден
0,4-1,2
Азот
0,003-0,015
Титан
0,01-0,15
Сера
0,001-0,006
Ванадий
0,05-0,25
Фосфор
0,001-0,006
Алюминий
0,005-0,05
Свинец
0,001-0,01
Медь
0,01-0,06
Железо
Остальное
Ниобий
0,001-0,01
В настоящее время наблюдается тенденция к ужесточению требований к уровню ударной вязкости металла шва при температурах от минус 30°C одновременно с повышением уровня временного сопротивления, предела текучести, относительного удлинения и относительного сужения при температуре испытаний +20°C, временного сопротивления и длительной прочности при температуре испытаний +454°C.
Недостатком указанного состава является низкая длительная прочность металла шва при рабочих температурах, а также низкий уровень работы удара металла шва при температуре испытаний от минус 30°C до минус 18°C.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение ударной вязкости металла сварных швов при температурах от минус 30°C одновременно с повышением его длительной прочности при рабочих температурах, а также повышение его стойкости к образованию трещин повторного нагрева.
Технический результат достигается изменением соотношения легирующих элементов, введением дополнительно в состав заявляемой сварочной проволоки бора и висмута.
Предлагается состав сварочной проволоки, содержащий, масс.%:
Углерод
0,12-0,16
Бор
0,0001-0,005
Кремний
0,15-0,22
Олово
0,0001-0,001
Марганец
0,70-0,90
Сурьма
0,001-0,005
Хром
2,1-2,5
Мышьяк
0,001-0,010
Никель
0,01-0,20
Кобальт
0,005-0,020
Молибден
0,90-1,50
Азот
0,003-0,015
Титан
0,05-0,10
Сера
0,001-0,006
Ванадий
0,15-0,25
Фосфор
0,001-0,006
Алюминий
0,005-0,020
Свинец
0,001-0,010
Медь
0,01-0,06
Висмут
0,0001-0,0010
Ниобий
0,001-0,05
Железо
Остальное
Нормирование содержания легирующих элементов выполнено таким образом, чтобы металл сварного шва после соответствующих технологических отпусков обеспечивал требуемый уровень механических свойств. С целью повышения длительной прочности металла шва при рабочих температурах после технологических отпусков вводится следующее ограничение:
(Cr+0,5Mn+2Si+100P+50Sb+40Sn+10As)/(Mo+0,5V)≤3,2
На основании проведенных ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей» экспериментов установлено, что наиболее высокие значения длительной прочности металла шва обеспечиваются при выполнении условия (Cr+0,5Mn+2Si+100P+50Sb+40Sn+10As)/(Mo+0,5V)≤3,2. При невыполнении данного условия наблюдается повышение содержания ферритной структурной составляющей наряду со снижением длительной прочности металла шва.
Повышение содержания молибдена и ниобия, в сравнении с прототипом, позволяет получить металл шва после термической обработки с высокой долей содержания бейнита, что обеспечивает высокий уровень работы удара при отрицательных температурах. Введение в состав проволоки бора и висмута в количестве 0,0001-0,005% и 0,0001-0,0010% соответственно приводит к измельчению зерна металла шва, за счет чего также увеличивается значение работы удара при отрицательных температурах. При снижении содержания указанных элементов ниже обозначенных пределов данный эффект не прослеживается, при превышении - отмечается чрезмерное упрочнение металла шва за счет повышения его отпускоустойчивости.
С целью повышения сопротивляемости металла шва возникновению трещин повторного нагрева при проведении многократных технологических отпусков в процессе изготовления оборудования нефтехимических реакторов вводится следующее ограничение:
(400Pb+200Bi+10As+8Sn+7Sb+2P)≤2,8%
Трещины повторного нагрева возникают по механизму ползучести при релаксации остаточных напряжений во время термической обработки. Как правило, подобные дефекты развиваются по границам исходного аустенитного зерна. При суммарном содержании химических элементов (400Pb+200Bi+10As+8Sn+7Sb+2P) сверх 2,8% по границам исходного аустенитного зерна металла шва образуются дисперсные включения, приводящие к снижению прочности границ зерен и возникновению трещин.
На производственной базе ОАО «МЗ «Электросталь» и ОАО «Ижорские заводы» ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей» провел комплекс работ по изготовлению и испытанию опытно-промышленных партий сварочной проволоки. Химический состав опытных плавок проволоки приведен в таблице 1.
Были изготовлены и испытаны сварные пробы из стали 2,25Cr-1Мо-0,25V композиции с использованием сварочной проволоки опытных составов. Механические свойства металла шва после проведения термообработки приведены в таблице 2.
Для определения стойкости против образования трещин в металле шва были изготовлены сварные пробы повышенной жесткости. Результаты испытаний стойкости металла шва против образования трещин приведены в таблице 2.
Из данных таблиц видно, что несоблюдение соотношения (Cr++0,5Мп+2Si+100Р+50Sb+40Sn+10As)/(Mo+0,5V)≤3,2 приводит к охрупчиванию металла шва, а несоблюдение соотношения (400Pb+200Bi+10As+8Sn+7Sb+2P)≤2,8% приводит к появлению трещин в металле шва. В целом, при соблюдении указанных требований, металл шва обладает высокими прочностными и пластическими свойствами и соответствует предъявляемым требованиям.
Ожидаемый технико-экономический эффект от использования нового состава сварочной проволоки для изготовления корпусов нефтехимического оборудования с высокими рабочими параметрами выразится в повышении срока службы оборудования при обеспечении его повышенной безопасности.
Таблица 1
Химический состав опытных партий сварочной проволоки
№ плавки
Содержание элементов, % по мас.
С
Si
Mn
Cr
Ni
Mo
Ti
V
Al
Cu
Nb
В
Sn
1
0,12
0,16
0,72
2,15
0,01
0,92
0,08
0,15
0,008
0,03
0,01
0,003
0,0008
2
0,16
0,21
0,84
2,45
0,03
1,49
0,09
0,24
0,01
0,04
0,05
0,003
0,0007
3
0,16
0,20
0,85
2,45
0,02
0,92
0,07
0,16
0,01
0,03
0,008
0,003
0,0010
4
0,15
0,16
0,75
2,31
0,01
1,45
0,05
0,23
0,01
0,03
0,009
0,003
0,0002
5
0,15
0,18
0,81
2,25
0,01
1,09
0,06
0,21
0,01
0,03
0,009
0,003
0,0006
6 (прототип)
0,18
0,25
0,98
1,90
0,01
0,83
0,09
0,18
0,01
0,04
0,008
0,003
0,0005
№ плавки
Содержание элементов, % по мас.
Sb
As
Co
N
S
P
Pb
Bi
Fe
Формула*
Формула**
1
0,002
0,002
0,01
0,01
0,003
0,005
0,007
0,0010
Основа
3,5
3,05
2
0,005
0,009
0,01
0,01
0,005
0,005
0,010
0,0010
Основа
2,58
4,34
3
0,005
0,008
0,01
0,01
0,003
0,006
0,006
0,0005
Основа
4,25
2,64
4
0,002
0,005
0,01
0,01
0,004
0,006
0,010
0,0010
Основа
2,40
4,28
5
0,002
0,002
0,01
0,01
0,004
0,004
0,005
0,0005
Основа
2,98
2,15
6 (прототип)
0,002
0,005
0,01
0,01
0,003
0,005
0,006
0,0020
Основа
3,87
2,88
Формула*: (Cr+0,5Mn+2Si+100P+50Sb+40Sn+10As)/(Mo+0,5V)
Формула**: (400Pb+200Bi+10As+8Sn+7Sb+2P)
Таблица 2
Механические свойства металла шва, выполненные сварочной проволокой опытных партий
№ плавки
R<sub>m</sub>+<sup>20</sup>
R<sub>p</sub>+<sup>20</sup>
A<sup>+20</sup>
z<sup>+20</sup>
R<sub>m</sub> <sup>+454</sup>
KV<sup>-18</sup>
KV<sup>-30</sup>
τ
Наличие трещин
МПа
%
МПа
Дж
ч
1
560-570
420-425
25,5-27,0
78-80
470-475
185-212
87-215
905-1000
+
2
730-740
610-620
18,5-20,0
55-65
600-615
77-89
57-59
≥1000
+
3
635-640
440-550
20,5-22,0
68-69
485-490
135-191
63-85
630-810
-
4
650-655
560-575
21,0-23,5
69-73
515-525
87-135
47-89
≥1000
+
5
640-650
540-570
23,5-25,0
74-75
490-495
194-215
71-240
≥1000
-
6 (прототип)
590-600
475-480
22,0-22,5
64-65
455-460
65-89
32-50
890-1000
+
Требования
585-760
415-620
≥18
≥45
≥461
≥55
≥55
≥900
-
Примечание: R<sub>m</sub> - временное сопротивление; R<sub>p</sub> - предел текучести; А - относительное удлинение; z - относительное сужение; KV - работа удара; τ - время до разрушения при испытании на длительную прочность