СВАРОЧНАЯ ПРОВОЛОКА ДЛЯ СВАРКИ ВЫСОКОНИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ
WELDING WIRE FOR HIGH NICKEL ALLOYS WELDING

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.
23
6
Углерод. Содержание углерода более 0,05% приведет к неустойчивости структуры, появлению на границах зерен крупных карбидов МеС, при этом снижается длительная прочность, длительная пластичность и ударная вязкость. Поэтому содержание углерода ограничено 0,05%.
кр
Кремний. Увеличение содержания кремния свыше 0,30% снижает А, приводя к появлению трещин при сварке [6]. Его содержание было ограничено 0,20%.
кр
Марганец. Увеличение марганца от 2,0 до 5,5÷7,0% (как в известной сварочной проволоке) не повышает (А), 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).
2
2
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)Mo (Fe, Cr)W, 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.
3
Титан и алюминий в известный состав электродов ЦТ-22 вводят для упрочнения за счет дисперсионного твердения, связанного с образованием фазы типа Ni(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.
кр
Технологичность при ковке слитков и поковок существенно повышается, аналогичным образом повышается и А 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.
кр
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).
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<sub>кр</sub>, 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.