МЕТАЛЛ СВАРНОГО ШВА ДЛЯ СОЕДИНЕНИЯ ОСНОВНЫХ МЕТАЛЛОВ ИЗ МЕДНО-НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ С СОДЕРЖАНИЕМ НИКЕЛЯ 9,0-41,0 МАС. %
METAL OF WELD JOINT FOR BONDING PARENT METALS FROM COPPER-NICKEL ALLOYS WITH NICKEL CONTENT OF 9,0-41,0 WT %

Изобретение относится к области металлургии, а именно к металлам сварных швов для соединения между собой медно-никелевых сплавов с содержанием от 9,0 до 41,0 мас.% никеля, и может быть использовано при изготовлении и ремонте конструкций и изделий из рассматриваемых медно-никелевых сплавов, в том числе эксплуатирующихся в морской воде (рыбозащитные устройства, насосы и др.).
Известен состав металла сварного шва для соединения высокопрочных низколегированных сталей (патент (RN) RU 227528102 по заявке 2003106422/02, 03.08.2001, опубликован 27.04.2006, бюл. №12), отличающийся (п.2 формулы изобретения) тем, что он содержит железо и следующие легирующие элементы, мас.%: от около 0,04 до около 0,08 углерода, от около 1,0 до около 2,0 марганца, от около 0,2 до около 0,7 кремния, от около 0,30 до около 0,80 молибдена, от около 2,3 до около 3,5 никеля, от около 0,0175 до около 0,0400 кислорода и по меньшей мере одну добавку, выбранную из группы, состоящей из вплоть до около 0,04 циркония и вплоть до около 0,02 титана.
Однако этот металл сварного шва для получения сварного соединения медно-никелевых сплавов с содержанием никеля 9,0-41,0 мас.% не может быть использован, т.к. он представляет сплав на основе железа, имеет значительно более отрицательный стационарный потенциал в морской воде, чем основной металл, и поэтому будет подвергаться в морской воде интенсивной коррозии. По данным ГОСТ 9.005-72 стационарный потенциал в морской воде углеродистых сталей составляет (-0,40÷-0,46 В), меди - (-0,08 B), а купроникеля с 30% Ni - (-0,02 B).
Известен состав металла шва сварных соединений марганцево-медных сплавов (в мас.%):
марганец - 54,0
алюминий - 2,11
никель - 2,14
цинк - 3,04
молибден - 0,44
медь - остальное
[А.Е.Вайнерман, И.В.Чумакова. Опыт сварки марганцево-медных сплавов. - Л.: ЛДНТП. - 1980. - 24 с.].
Однако металл шва такого химического состава не может быть использован в сварных соединениях медно-никелевых сплавов, содержащих 9,0-41,0% никеля. Это объясняется существенным различием в химических составах указанного металла шва, основой которого является марганец, и рассматриваемых медно-никелевых сплавов, основой которых является медь, причем стационарный потенциал металла шва на основе марганца намного отрицательнее стационарного потенциала медно-никелевого сплава. По данным ГОСТ 9.005-72 стандартный электродный потенциал марганца (основа рассматриваемого металла шва) равен (-1,180 B), а меди (основа медно-никелевых сплавов) (+0,337 B).
Поэтому при эксплуатации в морской воде сварных соединений медно-никелевых сплавов, содержащих 9,0-41,0% никеля, со сварным швом из марганцево-медного сплава сварной шов будет протектором по отношению к основному металлу и будет подвержен интенсивному коррозионному разрушению в результате контактной коррозии.
Более близким по составу к предлагаемому металлу сварного шва для соединения медно-никелевых сплавов с содержанием 9,0-41,0 мас.% никеля, принятым нами за прототип, является металл сварного шва состава, мас.%:
медь - 89,0-94,0
никель - 2,14
железо - 1,50-1,70
кремний - 0,19-0,48
марганец - 0,60-0,80
[А.Е.Вайнерман, С.А.Пичужкин, С.Н.Петров. Исследование состава, структуры и механических свойств металла зон сварных соединений медных сплавов со сталями и их влияние на механические свойства сварных соединений. - Вопросы материаловедения. Научно-технический журнал. 2006. №4 (48). С.43-54].
Однако для сварных соединений из медно-никелевых сплавов с содержанием никеля 9,0-41,0 мас.% металл сварного шва из медно-никелевого сплава с содержанием никеля от 3,0 до 6,50 мас.% и с содержанием кремния до 0,48 мас.% не может быть использован по следующим причинам.
В сварных соединениях медно-никелевых сплавов при различном содержании никеля в основном металле и в металле шва стационарные потенциалы этих металлов в морской воде имеют различную величину: чем больше содержание никеля в медно-никелевом сплаве, тем более положительным является его стационарный потенциал в морской воде. В случае различия величин стационарных потенциалов двух контактирующих металлов (в нашем случае основной металл и металл шва) металл с более отрицательным стационарным потенциалом будет подвергаться в морской воде контактной коррозии. Особенно интенсивно контактная коррозия будет протекать в металле с более отрицательным потенциалом в том случае, если поверхность этого металла значительно меньшая, чем поверхность металла с более положительным стационарным потенциалом. Поверхность металла шва во много раз меньше поверхности основного металла. Поэтому если стационарный потенциал металла шва более отрицательный, чем стационарный потенциал основного металла, то металл шва будет протектором по отношению к основному металлу и будет подвергаться интенсивной коррозии в морской воде. Следовательно, содержание никеля в металле шва должно быть выше, чем содержание никеля в основном металле, чтобы стационарный потенциал в морской воде металла шва был положительнее стационарного потенциала основного металла.
Помимо низкого содержания никеля в рассматриваемом составе металла шва, принятого нами за прототип, содержание кремния в нем составляет 0,19-0,48 мас.%. Однако при содержании кремния свыше 0,30 мас.% в медно-никелевом металле шва при сварке могут образоваться трещины из-за образования в нем интерметаллидов никеля с кремнием. Во избежание образования трещин в рассматриваемом медно-никелевом металле шва содержание в нем кремния должно быть ограничено (по нашим данным) до 0,30 мас.%.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является разработка состава металла шва для сварных соединений медно-никелевых сплавов с содержанием 9,0-41,0 мас.% никеля, имеющего более положительный стационарный потенциал в морской воде, чем стационарный потенциал в морской воде основного металла, и в котором отсутствуют недопустимые дефекты (трещины, плены, повышенная пористость).
Необходимость разработки состава металла шва для соединения между собой медно-никелевых сплавов с содержанием 9,0-41,0 мас.% никеля обоснована тем, что состав металла шва определяет работоспособность сварного соединения. А формирование состава металла шва происходит при одновременном влиянии на него нескольких факторов: состава основного металла; состава присадочного металла; режимов и техники сварки; доли содержания основного металла в металле шва. При применении одного и того же присадочного металла для получения металла шва сварного соединения из медно-никелевого сплава принятого состава можно получить металл шва со значительным различием в его химическом составе: от состава, очень близкого к составу основного металла, до состава, близкого к составу присадочного металла. Поэтому для обеспечения работоспособности сварного соединения необходимо регламентировать состав металла шва.
Технический результат достигается тем, что металл сварного шва для соединения основных металлов из медно-никелевых сплавов с содержанием 9,0-41,0 мас.% никеля согласно изобретению должен содержать 10,0-42,0 мас.% никеля при следующем соотношении компонентов, мас.%:
железо - 0,70-1,70
марганец - 0,50-1,50
кремний - 0,007-0,30
титан - 0,05-0,30
медь - остальное,
при этом в металле шва каждого сварного соединения содержание никеля должно быть больше, чем его содержание в основном металле, на 1,0%-10,0 мас.%.
Необходимость увеличения содержания никеля в медно-никелевом металле шва по сравнению с его содержанием в основном металле из медно-никелевого сплава объясняется следующим.
При эксплуатации в морской воде сварных соединений из медно-никелевых сплавов в контакте находятся два металла: металл шва и основной металл.
Металл шва сварных соединений медно-никелевых сплавов во избежание усиленной коррозии в морской воде (контактной коррозии) должен обладать более положительным стационарным потенциалом, чем основной металл. В противном случае (если стационарный потенциал металла шва будет отрицательнее стационарного потенциала основного металла) металл шва будет являться протектором по отношению к основному металлу. Учитывая, что поверхность металла шва существенно меньше поверхности основного металла, металл шва в результате контактной коррозии в морской воде будет подвергаться интенсивному разрушению. Поэтому металл шва сварных соединений медно-никелевых сплавов, эксплуатирующихся в морской воде, должен обладать более положительным стационарным потенциалом, чем основной металл.
Известно, что в медно-никелевых сплавах стационарный потенциал будет тем выше, чем больше в сплаве содержание никеля. Поэтому для предотвращения усиленного коррозионного разрушения металла шва, находящегося в контакте с основным металлом, из-за контактной коррозии содержание никеля в металле шва должно быть выше, чем его содержание в основном металле. Для надежного обеспечения более положительного значения стационарного потенциала металла шва по сравнению со стационарным потенциалом основного металла минимальное превышение содержания никеля в металле шва по сравнению с его содержанием в основном металле принимаем на уровне не менее 1,0 мас.%.
Однако содержание никеля в металле шва не следует значительно увеличивать по сравнению с его содержанием в основном металле, т.к. это не дает дополнительных технических преимуществ. Наоборот, увеличивается разница между более положительным стационарным потенциалом металла шва и более отрицательным стационарным потенциалом основного металла. Но на степень коррозионного повреждения основного металла такое различие в стационарных потенциалах основного металла и металла шва практически не повлияет. В соответствии с ГОСТ 9.005-72 контакт в морской воде для ряда металлов с разным потенциалом (с более положительным и более отрицательным потенциалом, т.е. контакт катодного и анодного металлов), например контакт углеродистых или низколегированных сталей с медно-никелевыми сплавами типа МНЖ5-1 или МНЖМц30-1-1, допускается в том случае, если площадь анода не менее чем в 8 раз превышает площадь катода.
В рассматриваемых по предлагаемому изобретению сварных соединениях медно-никелевых сплавов металл сварного шва имеет более положительный потенциал, чем основной металл, и является катодом; основной металл является анодом, но его контакт с металлом шва в морской воде можно допустить, т.к. площадь основного металла превышает площадь металла шва значительно более чем в 8 раз.
Поэтому более высокое содержание никеля в металле шва по сравнению с его содержанием в основном металле не приводит к заметному коррозионному разрушению основного металла из-за контактной коррозии. Но чрезмерно увеличивать содержание никеля в металле шва в сравнении с его содержанием в основном металле не следует из экономических соображений (увеличение содержания никеля в металле шва за счет уменьшения содержания меди увеличивает стоимость металла шва). Поэтому желательно ограничить превышение содержания никеля в металле шва над его содержанием в основном металле, например, десятью процентами.
Для обеспечения необходимого качества металла шва он должен содержать в своем составе железо, марганец, кремний, титан.
Железо уменьшает размер зерна металла шва, повышает его стойкость к трещинообразованию при сварке. Однако при высоком содержании железа в металле шва (более 2,0%) в нем может образоваться новая фаза на основе железа. Выделения этой фазы при эксплуатации сварных соединений в морской воде приводят к язвенной коррозии в металле шва, что недопустимо. Поэтому ограничим содержание железа в металле шва диапазоном от 0,70 до 1,70 мас.%.
Для получения плотного (без свищей, плен и повышенной пористости) металла шва он должен содержать раскислители: кремний, марганец и титан. Однако содержание каждого из них в металле шва должно быть ограничено.
Увеличение содержания кремния в металле шва выше 0,30 мас.% может привести к образованию в нем при сварке трещин. Поэтому ограничим содержание кремния в металле шва диапазоном от 0,07 до 0,30 мас.%.
Марганец в металл шва целесообразно вводить как благодаря тому, что он является хорошим раскислителем, так и потому, что он парализует вредное влияние серы, которая может попадать в металл шва из основного металла или из присадочной проволоки, в которых она может находиться в виде примесей. Однако при содержании марганца в металле шва свыше 1,70 мас.% в нем образуются шлаковые включения, что снижает качество металла шва. Поэтому содержание марганца в металле шва примем в диапазоне от 0,75 до 1,50 мас.%.
Учитывая ограничение количественного содержания в металле шва кремния и марганца, для обеспечения полного раскисления металла шва и стабилизации величины зерна в нем целесообразно в состав металла шва ввести также титан. Однако увеличение содержания в металле шва титана более 0,30 мас.% может привести к образованию выделений соединения титана с медью (по данным: Hahlbohm H.D. Z.Metall-kunde, 1963, 54, №9, с.515-518, растворимость титана в меди при 400°C составляет 0,35 ат.%). Поэтому ограничим содержание титана в металле шва диапазоном 0,05-0,30 мас.%.
Опробование свойств заявляемого состава металла шва выполняли на металле шва двух сварных соединений из двух по составу медно-никелевых сплавов: 1) сварного соединения сплава МНЖМц11-1,1-0,6, полученного с применением присадочного металла состава (в мас.%): Ni - 17,9-18,2; Fe - 1,10-1,20; Mn - 1,25-1,45; Si - 0,18-0,28; Ti - 0,21-0,24; Cu - остальное; 2) сварного соединения сплава МНЖМц30-1-1 со сплавом МНЖМц30-1-1, полученного с применением присадочного металла состава (в мас.%): Ni - 38,0-39,0; Fe - 0,90-1,10 Mn - 1,15-1,50; Si - 0,12-0,13; Ti - 0,14-0,21; Cu - остальное. Сварные соединения медно-никелевых сплавов получали аргонодуговым способом неплавящимся электродом на постоянном токе прямой полярности. На полученных сварных соединениях определяли химический состав металла шва у границы с основным металлом и в его средней части, а также в основном металле. Для сравнения исследовали металл шва с химическим составом по прототипу.
Оценивалось влияние состава металла шва на величину его стационарного потенциала в морской воде в сравнении со стационарным потенциалом в морской воде основного металла и металла шва по прототипу, а также на качество металла шва.
Определялись стационарные потенциалы в морской воде металла шва заявляемого состава (при содержании никеля ближе к нижнему и верхнему пределам и для каждого состава металла шва в двух зонах - у границы сплавления с основным металлом и в средней его части) и состава металла шва по прототипу. Стационарные потенциалы металлов швов и основных металлов определяли в синтетической морской воде. Результаты опробования приведены в таблице.
Таблица
Составы основного металла, металла шва и результаты их опробования
Исследуемый металл
Массовая доля элементов, %
Стационарный потенциал, B
Качество металла шва
Ni
Fe
Mn
Si
Ti
Cu
Сплав МНЖМц11-1,1-0,6 (основной металл)
11,49-11,62
1,61-1,62
0,68-0,80
0,10-0,18
-
ост.
-0,012
-
Металл шва заявляемого состава:
- у границы с основным металлом
12,69-12,78
1,28-1,45
0,85-1,05
0,10-0,13
0,10-0,21
ост.
-0,008
недопустимые дефекты отсутствуют
- в средней части
16,05-16,64
1,25-1,35
1,15-1,40
0,15-0,23
0,22-0,24
ост.
+0,005
недопустимые дефекты отсутствуют
Сплав МНЖМц30-1-1 (основной металл)
31,90-32,60
0,75-0,80
0,66-0,70
-
-
ост.
+0,087
-
Металл шва заявляемого состава:
- у границы с основным металлом
34,20-34,90
0,83-0,91
0,78-0,92
0,09-0,11
0,11-0,14
ост.
+0,092
недопустимые дефекты отсутствуют
- в средней части
36,10-37,80
0,96-1,05
0,94-1,35
0,10-0,12
0,15-0,19
ост.
+0,098
недопустимые дефекты отсутствуют
Металл шва по прототипу
5,80-6,20
1,55-1,62
0,65-0,75
0,19-0,24
0,11-0,19
ост.
-0,05
недопустимые дефекты отсутствуют
5,80-6,20
1,56-1,63
0,68-0,77
0,39-0,45
0,12-0,17
ост.
-0,05
трещина в металле шва
При исследовании качества металла швов установлено, что во всех полученных металлах швов выделения фазы на основе железа, а также недопустимые дефекты отсутствуют, кроме металла шва по прототипу, в котором при содержании кремния 0,48 мас.% обнаружены трещины.
Экономический эффект от предложенного изобретения в сравнении с прототипом обеспечивается за счет улучшения качества изделий из медно-никелевых сплавов.