ЛЕГИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОД ДЛЯ СВАРКИ ТЕПЛОУСТОЙЧИВЫХ СТАЛЕЙ
ALLOYED ELECTRODE FOR WELDING OF THERMOSTABLE STEELS

Изобретение относится к области производства сварочных материалов и может быть использовано в различных областях промышленности для сварки легированных теплоустойчивых хромомолибденовых сталей, работающих при температуре плюс 450°С.
За рубежом для сварки теплоустойчивых хромомолибденовых сталей типа 2,25Cr-1Mo используются сварочные электроды по составу наплавленного металла, близкие к основному металлу с ограниченным содержанием серы и фосфора (например, фирмы ESAB-OK 76.28) [4], содержащего (мас.%):
Углерод
не более 0,05
Кремний
0,3
Марганец
0,7
Хром
2,3
Молибден
1,0
Сера
0,012
Фосфор
0,012
о
Для указанной цели в тепловой и атомной энергетике используются электроды типа Э-05Х2М. Эти электроды не отвечают современным требованиям, которые предъявляются к металлу шва по содержанию фосфора и серы, приводящих к повышению критической температуры хрупкости (Тк), в т.ч. после длительной эксплуатации при температурах +450°С.
Наиболее близким к заявочному электроду по назначению и составу компонентов, взятому в качестве прототипа, является электрод марки Н-10 ("Электроды для дуговой сварки сталей и никелевых сплавов". И.А.Закс, изд. СПб: WELCOM, 1996 г., стр.68, 162, 165), состоящий из стержня проволоки марки Св-04Х2МА, содержащей (мас.%):
Углерод
не более 0,06
Кремний
0,12-0,35
Марганец
0,4-0,7
Хром
1,8-2,2
Никель
не более 0,25
Молибден
0,5-0,7
Сера
0,020
Фосфор
0,025
Мышьяк
не более 0,08
Железо
остальное
и электродного покрытия, содержащего (мас.%):
Мрамор
54,0
Концентрат плавикошпатовый
18,0
Ферромарганец
2,0
Ферротитан
14,0
Ферросилиций
3,0
Песок кварцевый
9,0
Стекло натриевое жидкое
26-32
Основным недостатком этих электродов является склонность к тепловому охрупчиванию металла шва в процессе эксплуатации при температурах более 450°С, а также склонность к образованию пор в процессе сварки.
Техническим результатом изобретения является создание электрода для сварки легированных теплоустойчивых хромомолибденовых сталей, работающих при температурах до плюс 450°С, обеспечивающего высокую стойкость металла шва к тепловому охрупчиванию и повышению сварочно-технологических характеристик при сварке - повышению стойкости к образованию пор в металле шва.
Технический результат достигается тем, что для стержня электрода используется электродная проволока, содержащая: углерод, кремний, марганец, хром, молибден, никель с ограниченным содержанием серы, фосфора, олова, сурьмы, мышьяка при следующем соотношении элементов, мас.%:
Углерод
0,03-0,06
Кремний
0,12-0,35
Марганец
0,4-0,7
Хром
1,8-2,2
Молибден
0,5-0,7
Никель
0,05-0,25
Сера
0,006-0,01
Фосфор
0,006-0,01
Олово
0,001-0,005
Сурьма
0,001-0,008
Мышьяк
0,001-0,01
Железо
Остальное,
при этом суммарное содержание в проволоке S и P не превышает 0,018%, суммарное содержание As, Sb и Sn не превышает 0,016%.
В электродное покрытие дополнительно введена двуокись титана, увеличено содержание ферромарганца, ферросилиция за счет ограничения ферротитана мрамора и концентрата плавикошпатового при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Мрамор
25-40
Концентрат плавикошпатовый
20-33
Ферромарганец
3-5
Ферротитан
5-10
Ферросилиций
4-5
Песок кварцевый
10-15
Двуокись титана
5-20
Ограничение содержания цветных примесей, а также серы и фосфора в сварочной проволоке позволяет обеспечить металлу шва высокое сопротивление хрупкому разрушению. Комплексное легирование наплавленного металла сильным элементом-раскислителем кремнием через электродное покрытие за счет ферросилиция и песка кварцевого позволяет снизить порообразование в металле шва при сварке.
Кроме того, повышение сварочно-технологических характеристик электродов и снижение склонности металла шва к пористости обеспечивается введением в покрытие двуокиси титана, которая позволяет получать самопроизвольную отделимость шлаковой корки и более низкое содержание диффузионного водорода.
Был проведен комплекс опытно-промышленных работ по изготовлению, испытанию и практическому опробованию электродов для сварки легированных теплоустойчивых хромомолибденовых сталей. Была выполнена вакуумно-индукционная плавка стали марки 04Х2МАА-ВИ с химическим составом, приведенным в таблице 1, из которой путем ковки с последующей прокаткой и волочением была получена проволока диаметром 4 мм.
Опытные образцы электродов были изготовлены на ОАО "Машиностроительный завод "ЗиО-Подольск".
Опытные образцы электродов испытывались при сварке теплоустойчивой стали марки 10Х2М. Сварку производили в нижнем положении на постоянном токе обратной полярности с предварительным подогревом при температуре плюс 100-150°С, Iсв=110-150 А. Визуальный осмотр и радиографический контроль металла шва сварных проб показал отсутствие недопустимых дефектов: пор, трещин, непроваров, прожогов.
Из металла сварных швов, полученного электродами предлагаемого и известного составов, изготовлены и испытаны образцы для определения химического состава и механических свойств, критической температуры хрупкости.
Химический состав наплавленного металла известного и заявленного электродов представлен в таблице 1.
Состав покрытий заявленного и известного сварочного электрода представлен в таблице 2. Данные сравнительных испытаний механических свойств металла шва представлены в таблице 3.
о
о
Результаты сравнительных испытаний показывают, что заявленный состав по сравнению с известным (Тк=0°С) позволяет получать металл шва с более низкими значениями критической температуры хрупкости (Тк=-20÷-22°С) при обеспечении более высоких сварочно-технологических характеристиках электродов и отсутствия пор в металле шва.
Технико-экономический эффект от использования изобретения выразится в повышении надежности и долговечности конструкций за счет повышения сопротивления хрупкому разрушению в процессе длительной эксплуатации энергетического оборудования, работающего в условиях повышенных температур, а также снижения трудозатрат за счет исключения работ по зачистке и ремонту сварных швов.
Таблица 1
Химический состав известного и заявленного стержня для электродов
Состав
Химический состав, мас.%
Выполнение соотношения
C
Si
Mn
S
P
Cr
Ni
Mo
As
Sb
Sn
S+P
As+Sb+Sn
Заявляемый
0,04
0,27
0,65
0,005
0,004
2,2
0,03
0,66
0,001
0,005
0,001
0,009
0,007
Известный
0,06
0,15
0,56
0,020
0,015
1,9
0,08
0,53
0,05
-
-
0,035
0,05
Таблица 2
Химический состав покрытий известного и заявленного электродов
Состав
№
Состав покрытия, мас.%
Мрамор
Концентрат плавикошпатовый
Ферромарганец
Ферротитан
Ферросилиций
Песок кварцевый
Двуокись титана
Заявляемый
1
40
33
3
5
4
10
5
2
31
30
4
7
4,5
13
10
3
25
20
5
10
5
15
20
Известный
54,0
18,0
2,0
14,0
3,0
9,0
-
Таблица 3
Результаты сравнительных испытаний известных и заявляемых электродов
Состав
№
Механические характеристики металла шва
Сварочно-технологические характеристики
σ<sub>02</sub>, МПа
σ<sub>в</sub>, МПа
δ<sub>5</sub>, %
ψ, %
Критическая температура хрупкости, °С
Сдвиг критической температуры хрупкости вследствие теплового старения, ΔТт, °С
Отделимость шлака
Количество пор на участке длиной 100 мм
+20
+450
+20
+450
+20
+450
+20
+450
Исходное состояние Тко, °С
После теплового старения, Ткт, °С
Заявляемый
1
491
378
618
435
21
18
75
79
-20
-20
0
Самоотделимость
0
2
480
370
600
425
20
17
75
80
-24
-22
2
Самоотделимость
0
3
485
374
610
430
22
17
70
80
-22
-22
0
Самоотделимость
0
Известный
480
371
605
422
15
13
55
65
0
+20
20
Удовл. 80%
16
Примечание:
Данные усреднены по результатам испытаний трех образцов на одну точку.