ЭЛЕКТРОД ДЛЯ СВАРКИ ТЕПЛОУСТОЙЧИВЫХ СТАЛЕЙ
ELECTRODE FOR WELDING OF HEAT-RESISTANT STEEL

Изобретение относится к области производства сварочных материалов для сталей 2,25%Cr-l%Mo-0,25%V композиции и может применяться при изготовлении корпусов нефтехимических реакторов.
Известны электроды для сварки сталей 2,25%Cr-l%Mo-0,25%V композиции, марок CMA-106HD (KOBELKO «Welding Handbook», Япония), FOX P24 (Bohler «Сварочные материалы для химической и нефтехимической промышленности», Германия), ALCROMO E225 (OERLIKON «Handbook of Welding Consumables», Германия-Швейцария).
Их недостатком является недостаточная прочность при повышенных рабочих температурах (до 454°C). В качестве прототипа были взяты отечественные электроды марки Н-10АА (патент RU 2398666 C2, опубликованный 10.09.2010), на основе стержня из стали марки Св-04Х2МАА и покрытия, содержащего в % по массе:
Мрамор
25-40
Концентрат плавикошпатовый
20,0-33,0
Песок кварцевый
10,0-15,0
Ферросилиций
4,0-5,0
Ферромарганец
3,0-5,0
Ферротитан
5,0-10,0
Диоксид титана
5,0-20,0
Стекло натриево-калиевое жидкое
23-32 (свыше 100%)
Металл шва, выполненный этими электродами, имеет высокую стойкость к тепловому охрупчиванию и высокие показатели сварочно-технологических характеристик, однако имеет низкую ударную вязкость при отрицательных температурах и низкую горячую прочность.
Техническим результатом изобретения является значительное увеличение прочностных свойств при температурах до 454°C, а также обеспечение высоких значений ударной вязкости при температурах -30°C и выше.
Дополнительным техническим результатом является сохранение высоких сварочно-технологических свойств электрода.
Технический результат изобретения достигается за счет того, что покрытие электрода содержит мрамор, концентрат плавикошпатовый, диоксид титана, кварцевый песок, ферросилиций, ферротитан и марганец металлический при следующем соотношении компонентов, масс.%:
Мрамор
30,5-56,0
Концентрат плавикошпатовый
20,0-33,0
Диоксид титана
14,0-20,0
Песок кварцевый
4,0-10,0
Ферросилиций
1,0-3,0
Марганец металлический
0,5-3,0
Ферротитан
6,0-12,0
Стекло натриево-калиевое жидкое
23-32 (свыше 100%)
Дополнительный технический результат достигается за счет введения в электродное покрытие кальцинированной соды в количестве 0,5-2,5 масс.%.
Проволока стального стержня дополнительно содержит ванадий при следующем соотношении компонентов, масс.%:
Углерод
0,14-0,16
Кремний
0,15-0,22
Марганец
0,70-0,90
Хром
2,10-2,50
Молибден
0,90-1,20
Ванадий
0,15-0,40
Железо и примеси
Остальное
а также удовлетворяет соотношению трещиностойкости  (содержание всех элементов вводится в % по массе) (при невыполнении этого соотношения появляется опасность появления «холодных» трещин).
Увеличение в составе проволоки содержания углерода и молибдена повысило прокаливаемость металла шва, что позволило получить достаточно однородную структуру металла шва с минимальным количеством структурно свободного феррита, а также высокие показатели длительной прочности. Повышение углерода свыше 0,16% ведет к образованию трещин в металле шва, а понижение ниже 0,14% ведет к снижению прочности металла сварного шва.
Повышение молибдена выше 1,2% ведет к существенному тепловому охрупчиванию, а снижение ниже 0,9% снижает прочность при повышенных температурах (до 454°C) и сопротивляемость ползучести металла шва.
Введение в состав проволоки ванадия существенно улучшило прочность металла, однако его содержание свыше 0,4% ведет к существенному ухудшению ударной вязкости при отрицательных температурах, а снижение ниже 0,15% не обеспечивает нужной прочности металла при 454°C.
Снижение в составе покрытия ферросилиция (до 3% и менее) и кварцевого песка (до 10% и менее) направлено на обеспечение повышения ударной вязкости при отрицательных температурах, однако при содержании ферросилиция менее 1% и кварцевого песка менее 4% существенно ухудшается отделимость шлака.
2
Повышение в составе покрытия мрамора (до 30,5% и более) улучшает газовую защиту сварочной ванны за счет повышения объемов образования защитных газов (CO, CO), что в свою очередь предотвращает насыщение поверхностного слоя металла азотом, что опасно упрочнением металла и падением значений ударной вязкости. Однако при увеличении содержания мрамора свыше 56,0% ухудшается шлаковая защита сварочной ванны, а также идет активное выгорание легирующих элементов в металле шва, что приводит к потере нужного уровня прочности металла.
Введение кальцинированной соды в небольших количествах стабилизирует горение дуги за счет того, что Na обладает низкой «работой выхода», а значит легче ионизируется.
Оптимальное содержание вредных примесей, масс.%:
Никель
Не более 0,20
Медь
Не более 0,20
Сера
Не более 0,010
Фосфор
Не более 0,015
Металл шва, выполненного предлагаемыми электродами должен удовлетворять требованиям X и K-факторов, задающих чистоту металла по вредным примесям (X=(10P+5Sb+4Sn+As)≤0,12 (содержание всех элементов вводится в % по массе); K=(Pb+Bi+0,03Sb)≤1,5 ppm (содержание всех элементов вводится в ppm).
В ООО «Ижорские сварочные материалы» и ОАО «Ижорские заводы» был проведен комплекс промышленных испытаний предлагаемых электродов.
С использованием предлагаемых электродов были изготовлены и испытаны сварные пробы.
Химический состав проволок, использованных для производства электродов приведен в таблице 1.
Таблица 1
Химический состав проволок разных составов (% по массе)
№ партии
C
Mn
Si
Cr
Ni
Mo
V
S
P
Cu
ψ
1.1
0,18
0,85
0,28
2,37
0,14
1Д9
0,29
0,005
0,012
0,04
0,450
1.2
0,15
0,76
0,22
2,43
0,16
0,97
0,23
0,005
0,009
0,06
0,395
1.3
0,14
0,88
0,21
2,36
0,12
1,04
0,27
0,005
0,011
0,08
0,389
1.4
0,14
0,81
0,17
2,48
0,18
0,67
0,20
0,005
0,008
0,05
0,369
известные
0,07
0,74
0,29
2,04
0,17
0,61
-
0,008
0,009
0,07
0,259
Составы электродных покрытий приведены в таблице 2.
Таблица 2
Составы электродных покрытий
Компоненты
Партия 1.1%
Партия 1.2%
Партия 1.3%
Партия 1.4%
Известные %
Мрамор
46,5
46,5
47,5
42,5
33,0
Концентрат плавикошпатовый
21,0
19,0
20,0
24,0
26,0
Диоксид титана
14,0
14,0
15,0
15,0
14,0
Песок кварцевый
6,0
5,0
5,0
5,0
12,5
Ферросилиций
2,0
3,0
2,0
2,0
4,5
Марганец металлический
1,5
1,5
2,5
2,5
-
Ферромарганец
-
-
-
-
4,0
Ферротитан
8,0
9,0
7,0
8,0
6,0
Сода кальцинированная
1,0
2,0
1,0
1,0
-
Стекло натриево-калиевое жидкое (сверх 100%)
24
26
25
28
30
Испытания на растяжение металла шва предлагаемых электродов проходили при температурах +20°C и +454°C. Испытания известных электродов проходили при +20°C и +450°C. Результаты испытаний приведены в таблице 3.
Таблица 3
Результаты испытаний на растяжение металла шва
№ партии
Температура испытаний, °C
R<sub>m</sub>, H/мм<sup>2</sup>
R<sub>P0,2</sub>, H/мм<sup>2</sup>
A, %
Z, %
1.1
Обнаружены небольшие трещинки перпендикулярно сварному шву
1.2
20
660
580
17
62,0
454
520
-
-
-
1.3
20
680
590
18
67,5
454
530
-
-
-
1.4
20
560
410
17
65,0
454
320
-
-
-
Известные
20
340
433
18
61,3
450
290
-
-
-
Испытания на ударный изгиб металла шва предлагаемых электродов проводились при температурах -30°C, -18°C. Известные электроды испытывались при +20°C. Результаты испытаний приведены в таблице 4.
Таблица 4
Показатели ударной вязкости металла шва
№ партии
Температура испытаний, °C
Значения показателя ударной вязкости, Дж/см<sup>2</sup>
1.1
Обнаружены небольшие трещинки перпендикулярно сварочному шву
1.2
-18
167,8
75,2
156,0
-30
99,7
124,8
84,4
1.3
-18
168,8
197,5
171,3
-30
95,5
112,2
110,6
1.4
-18
140,3
159,1
93,5
-30
85,2
100,3
78,3
Известные
+20
75,3
80,1
84,5
Результаты испытаний показывают, что предлагаемые электроды имеют значительно лучшие механические свойства при удовлетворительных показателях сварочно-технологических свойств.