СВАРОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ
WELDING MATERIAL

Изобретение относится к области производства сварочных материалов, используемых в ядерной энергетике, в частности, для сварки корпусов парогенераторов перспективной установки БН-1200 из 12% хромистой стали типа 07Х12НМФБР.
Аналогом по химическому составу предлагаемого сварочного материала является сталь марки 07Х12НМФБР [1], содержащая (масс.%):
Углерод
0,05-0,08
Кремний
не более 0,2
Марганец
0,3-0,8
Хром
11,5-13,0
Никель
0,8-1,3
Молибден
0,8-1,0
Ниобий
0,05-0,2
Ванадий
0,05-0,2
Азот
не более 0,035
Алюминий
не более 0,15
Бор
по расчету 0,001-0,005
Сера
не более 0,020
Фосфор
не более 0,020
Железо
остальное
Однако данный материал не может быть применен в качестве сварочного материала в связи с тем, что:
- содержание хрома ниже 12% приводит к потере коррозионных свойств наплавленного металла в эксплуатационной пароводяной среде парогенератора;
- высокое содержание ниобия (0,1-0,2)% способствует образованию трещин при сварке и охрупчиванию металла шва в процессе термической обработки;
- пониженное содержание кремния (не более 0,2%) при пониженном содержании марганца (0,3-0,8%) может привести к образованию пор в процессе сварки за счет малой степени раскисления металла шва;
- введение бора (до 0,005% по расчету) может привести к образованию трещин при сварке, снижению пластичности и вязкости металла шва.
Ближайшим по составу к заявляемому является коррозионно-стойкий сварочный материал [2], принятый за прототип, содержащий (масс.%):
Углерод + Азот
≤0,3
Кремний
≤1,0
Марганец
≤2,5
Хром
10,5-21,5
Никель
≤8,0
Молибден
≤3,5
Ванадий
≤0,2
Ниобий
≤0,2
Титан
≤0,3
Кальций
≤0,01
Железо и примеси
остальное.
Химический состав указанной сварочной проволоки может меняться в очень широких пределах и обеспечивать получение наплавленного металла различного структурного класса (аустенитного, аустенитно-ферритного, мартенситного, мартенситно-ферритного, ферритного и т.п.), с различными служебными характеристиками наплавленного металла и обеспечение высоких прочностных и пластических характеристик, коррозионной стойкости и высокой длительной прочности наплавленного металла при температуре 550°С может быть и не обеспечено. Для достижения требуемых свойств наплавленного металла в пароводяной среде при температуре 550°С необходимо дать более строгую регламентацию содержания химических элементов для обеспечения получения в наплавленном металле мартенситной, мартенситно-ферритной структуры.
Техническим результатом изобретения является создание сварочного материала, обеспечивающего получение наплавленного металла мартенситного (мартенситно-ферритного) класса, обладающего сочетанием коррозионной стойкости в пароводяной среде и высокой длительной прочности при сохранении высокого уровня сопротивления хрупкому разрушению, в том числе в процессе эксплуатационного старения.
На основании выполненного анализа в качестве сварочного материала с высокой коррозионной и длительной прочностью наплавленного металла при температуре 550°С предлагается материал, в составе которого строго регламентированы основные химические элементы: хром (11-14)%, углерод (0,03-0,05)%, марганец (1,0-1,5)%, никель (1,3-1,5)%, ниобий (0,04-0,08)%, ванадий (0,1-0,2)% и кальций (0,01-0,05)%.
Технический результат достигается тем, что сварочный материал, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, титан, азот и железо, дополнительно содержит ванадий, ниобий, кальций, мышьяк, сурьму, олово, серу, фосфор при следующем соотношении компонентов (масс.%):
Углерод
0,03-0,05
Кремний
0,2-0,3
Марганец
1,0-1,5
Хром
11,0-14,0
Никель
1,3-1,5
Молибден
0,8-1,0
Ванадий
0,1-0,2
Ниобий
0,04-0,08
Титан
0,1-0,2
Мышьяк
0,005-0,010
Сурьма
0,001-0,005
Олово
0,001-0,005
Сера
0,006-0,010
Фосфор
0,006-0,010
Азот
0,010-0,015
Кальций
от более 0,01 до 0,05
Железо
остальное,
при этом:
- суммарное содержание Ti и Nb не должно превышать 0,24;
- суммарное содержание As, Sb, Sn не должно превышать 0,02.
Ограничение содержание хрома в пределах (11-14)% в сочетании с Ni (1,3-1,5)% позволит получить мартенситную (мартенситно-ферритную) структуру наплавленного металла и обеспечит коррозионную стойкость наплавленного металла в пароводяной среде с учетом его выгорания в процессе сварки, а также стойкость к тепловому охрупчиванию при температуре 550°С.
Содержание углерода (0,03-0,05)%, марганца (1,0-1,5)% при содержании никеля (1,3-1,5)% обеспечит низкое содержание ферритной составляющей в мартенситной (мартенситно-ферритной) структуре (не более 18%) и соответственно повышение пластических и вязких свойств наплавленного металла.
Содержание ниобия в пределах (0,04-0,08)% и ванадия (0,1-0,2)% с содержанием титана до 0,2% при содержании углерода (0,03-0,05)% обеспечит высокую длительную прочность мартенситного (мартенситно-ферритного) наплавленного металла при температуре 550°С.
Суммарное ограничение содержания цветных примесей - мышьяка, сурьмы и олова до 0,02% позволяет повысить стойкость наплавленного металла против отпускной хрупкости в процессе изготовления парогенератора.
Регламентированное содержание азота (0,010-0,015)% способствует повышению сопротивления хрупкому разрушению металла наплавки за счет снижения содержания в нем неметаллических включений типа нитридов.
Ведение в сварочный материал кальция (>0,01-0,05)% способствует глобулизации карбидов, обеспечивая повышение сопротивления хрупкому разрушению металла шва.
В ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» произведена выплавка в 100-килограммовой открытой печи трех плавок стали для сварочной проволоки заявляемого состава. Выплавка стали производилась на чистых шихтовых материалах по содержанию серы, фосфора, цветных примесей. Разливку производили в слитки, которые затем проковывались на заготовки размером 16×16 мм с дальнейшим изготовлением катанки диаметром 8 мм и волочением ее на сварочную проволоку диаметром 3 мм.
Образцы для исследования изготавливали из технологических проб толщиной 20 мм со сварным швом, выполненным аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом с присадочной проволокой различных составов. С целью исключения влияния основного металла сварку выполняли через предварительную наплавку кромок толщиной не менее 10 мм, выполненную соответствующей сварочной проволокой. Технологические пробы подвергались термической обработке - высокому отпуску при температуре 720°С.
Для исследования механических свойств металла шва изготавливали следующие образцы:
- на статическое растяжение диаметром 6 мм и длиной рабочей части 30 мм (тип II по ГОСТ 6996);
- на ударный изгиб с острым надрезом 10×10×55 мм (тип IX по ГОСТ 6996);
- на длительную прочность диаметром 6 мм и длиной рабочей части 30 мм;
- на коррозионную стойкость - пластины 1,5×10×60 мм.
В качестве известного сварочного материала был выбран коррозионно-стойкий сварочный материал [2].
-3
-1
Испытание на растяжение проводились на установке УМД-10 на воздухе при скорости деформации 3·10 с при температуре 550°С. Испытания на коррозионную стойкость проводились в автоклаве при температуре 550°С в течение 3000 ч. Испытания на длительную прочность проводились на воздухе в соответствии с требованиями ГОСТ 10145-81 при Т=550°С.
Химический состав заявляемого и известного сварочного материала приведен в таблице 1, механические свойства - в таблице 2.
Ожидаемый технико-экономический эффект, обусловленный обеспечением сочетания коррозионной стойкости и высокой длительной прочности металла шва сварных соединений из 12% хромистых сталей типа 07Х12НМФБР перспективных парогенераторов новой установки БН-1200, выразится в увеличении надежности, безопасной эксплуатации и срока службы сварных соединений.
Таблица 2
Механические свойства наплавленного металла заявляемого и известного материала
Условный номер партии
Механические свойства
Структура наплавленногометалла
σ<sub>в</sub>
σ<sub>0,2</sub>
δ
ψ
σ<sub>в</sub>
σ<sub>0,2</sub>
δ
ψ
Сопротивление хрупкому разрушению
Коррозионная стойкость
σдл.проч., МПа
МПа
%
МПа
%
При 550°С, 3×10<sup>5</sup> ч.
+20°C
+550°C
1
670
615
23
57
450
358
15
58
Обеспечивается
Обеспечивается
Обеспечивает-ся (≥122)
Мартенситная (Мартенситно-ферритная)
2
690
640
23
58
452
360
14
56
3
720
650
25
60
460
365
12
55
4
Обеспечивается
Обеспечивается
Не обеспечивается (≤122)
Аустенитный
5
Не обеспечивается
Обеспечивается
Ферритный
Примечание: 1. В таблице приведены средние значения 3-х образцов при испытании на статическое растяжение
ЛИТЕРАТУРА
1. Паспорт на сталь марки 0712НМФБ.
2. JP 2003-071589 А, B23K 35/30, 11.03.2003, реферат, формула, описание [0028]-[0033].