Керамический флюс для сварки низколегированной стали

 

Изобретение относится к сварке в частности , к керамическим флюсам для сварки низколегированных сталей. Цель изобретения - повышение стабильности ударной вязкости, а также коэффициента вязкости и дефектостойкости. При изготовлении тяжелонзгруженных сварных конструкций, работающих при низких температурах, особое значение имеет запас вязкости металла Изобретение относится к сварочным материалам, точнее к флюсам для механизированной дуговой сварки. Известен керамический ф4юс для сварки низколегированных сталей, содержащий магнезит обожженный, волластонит, плавиковый шпат, ферромарганец, силикокальций, алюминиевый порошок, двуокись алюминия, компоненты-окислители, отличающийся тем, что с целью улучшения отделимости шлаковой корки при сварке в глубокую разделку, улучшение формировашвов . Установлено, что коэффициент запаса вязкости металла швов зависит от неоднородности распределения кремния по телу зерна структуры составляющих шва. Керамический флюс, в дополнение к известному флюсу по авторскому свидетельству № 1088904, содержит металлический хром в количестве 0,3 - 1,0%. Указанное содержание металлического хрома во флюсе обеспечивает равномерное распределение кремния по телу зерна структурных составляющих низколегированных швов, повышает коэффициент запаса вязкости этих швов. Сварные швы, полученные с использованием предлагаемого флюса, отличаются отсутствием выпадов по ударной вязкости при температурах до минус 70°С. Основу флюса составляет, мас,%: магнезит обожженный 25 - 35; волластокит 12 - 24; ильменитовый концентрат 4-12; силикат марганца 12 - 24; плавиковый шпат б - 10; ферромарганец 0,4 - 2,3; силикокальций 0,1 - 1,3; алюминиевый порошок 0,1 - 0,8 и 15 - 25 материала, содержащего не менее 90% а -фазы и оксида алюминия. 4 табл. ния металла шва и уменьшения гигроскопичности флюса в качестве компонентовокислителей флюс содержит ильменитовый концентрат и силикат марганца, а двуокись алюминия в виде материала, содержащего не менее 90% а -фазы АДОз, при следующем соотношении компонентов, мас.% Магнезит обожженный25 - 35 Волластонит12-24 Ильменитовый концентрат4-12 Силикат марганца12 - 24 Плавиковый шпат6-10 Ч 00 о ю о 00 го

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„., БЦ „„1780968 A2 (я)з В23 К 35/362

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ .: - . .- -- "- -:; -: /.

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ ... . . P -.": "::, с;., ПРИ ГКНТ СССР " " . . : .:: ". г :- .;слРлт,и: -":",ф ;",ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (61) 1088904 (21) 4814307/08

: (22) 13.04,90 (46) 15.12.92, Бюл. М 46 (71) Институт электросварки им. Е. О. Патона (72) И. К, Походня, В, B. Головко, Д. M. Кушнерев, С. Д. Устинов, M, B, Борисов, В. Г. Гребенчук и В. И, Звирь (56) Авторское свидетельство СССР

N 1470485, кл. В 23 К 35/362, 1986., Авторское свидетельство СССР

М 1726183, кл. В 23 К 35/362, 1990.

Авторское свидетельство СССР

N 1088904, кл. В 23 К 35/362, 1989.; (54) КЕРАМИЧЕСКИЙ ФЛЮС ДЛЯ СВАРКИ

НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ (57) Йзобретеоние относится к сварке в частности, к керамическим флюсам для сварки низколегированных сталей. Цель изобрете., ния — повышение стабильности ударной вязкости, а также коэффициента вязкости и дефектостойкости. При изготовлении тяже- лонагруженных сварных конструкций, работающих при низких температурах, особое значение имеет запас вязкости металлаИзобретение относйтся к сварочным материалам, точнее к флюсам для механизированной дуговой сварки.

Известен керамический флюс для сварки низколегировайнйх сталей, содержащий магнезит обожженный, волластонит, плавиковый шпат, ферромарганец, силикокальций, алюминиевый порошок, двуокись алюминия, компоненты-окислители, отличающийся тем, что с целью улучшения отделимости шлаковой корки при .сварке в глубокую разделку, улучшение формировашвов. Установлено, что коэффициент зайаса вязкости металла швов зависит бт неоднородности распределения кремния по телу зерна структуры составляющих шва. Керамический флюс,-в дополнение к известному флюсу по авторскому свидетельству М

1088904; содержит металлический хром в количестве 0,3 — 1,0%, Указанное содержа-: ние металлического хрома во флюсе обеспечивает равномерное распределение кремния по телу зерна структурных состав-. ляющих низколегировайных швов, повышает коэффициент запаса вязкости этих швов.

Сварные швы, полученные с использованием предлагаемого флюса, отличаются отсутствием выпадов по ударной. вязкости при: Б температурах до минус 70РС. Основу флюса . составляет, мас,%: магнезит обожженный

25 — 35; волластонит 12 — 24; ильменитовый концентрат 4 — 12; силикат марганца 12 — 24; плавиковый шпат 6 — 10; .ферромарганец

0;4- 2,3; силикокальций 0,1 —.".1,3; алюминиевый порошок 0,1.— 0,8 и 15 — 25 материала; содержащего не менее 90% а -фазы и оксида алюминия. 4 табл.

C) о

00 ния металла шва и уменьшенйя гигроскопичности флюса в качестве компонентоволислителеи флюс содериит ильменитоеий );и концентрат, и силикат марганца, а двуокись алюминия в виде материала, содержащего не менее 90% а-фазы АЬОз, при следующем соотношении компбнентов, мас.%.

Магнезит обожженный 25 — 35

Волластонит .: . 12 — 24

Ильменитовый концентрат 4 — 12

Силикат марганца 12 — 24

Плавиковый шпат .. 6 — 10

1780968

Ферромаргайец 0,4 — 2.3

Силикокальций 0,1 — 1,3

Илюминиевый порошок 0,1 — 0,8

Материал, содержащий не менее 90 5 а-фазы AliOa 15-25 мас., причем суммарное содержание ильменитового концентрата и 1/2 силиката марганца составляет 10—

20 мас.%; суммарное содержание ферромарганца, силикокальция и алюминиевого 10 порошка 1.5 — 2,5 мас,%, а отношение суммарного содержания магнезита обожженного, а-фазы AtgQa и 1/2 волластонита к содержанию плавикового шпата составляет

6,0 — 8,6. 15

Вышеуказанный флюс имеет хорошие сварочно-технологические свойства при сварке стыковых соединений и обеспечивает получение относительно высоких значений ударной вязкости металла швов при 20 температуре испытаний до минус 70 С, В результате широкой опытно-промышленной проверки этого флюса были выявлен следующий существенный недостаток.

Флюс не обеспечивает требуемой стабиль- 25 ности показателей хладостойкости металла швов, При общем высоком уровне ударной вязкости при низких температурах на от- дельных партиях флюса наблюдаются выпады значений ан (Дж/см ) ниже допустимых 30 значений, что снижает надежность сварных соединений и ставит под сомнение возможность применения данного флюса при изготовлении ответственных, нап ример, мостовых металлоконструкций, где наличие 35 даже одного выпада по ударной вязкости металла шва является недопустимым.

Показатель ударной вязкости является характеристикой данного испытанного об- . разца металла. Уровень ударной вязкости 40 зависит от размеров образца, формы надреза, температуры испытания, массы ударно.. го инструмента копра, скорости его движения и многих других факторов. Основным недостатком этого метода является то, 45 что он дает характеристику металла при ис. пытаниях в условиях, отличающихся от условий нагружения реальных конструкций.

Основной концепцией данного вида испытаний является рассмотрение образца ме- 50 . талла как однородного материала без внутренних дефектов.

Опыт эксплуатации сварных конструк-. ций свидетельствует о том, что при повышении уровня вязкости металла шва 55 надежность работы сварного соединения не увеличивается. В металле швов многотонйой конструкции (например, мостовые металлоконструкции), имеющей большую протяженность сварных соединений, расположенных в различных пространственных положениях и подверженных действию циклических нагрузок в сочетании с низкими температурами эксплуатации, весьма высока вероятность образования микротрещин, которые могут привести к разрушению всей конструкции, С этой точки зрения надежность сварных соединений должна характеризоваться не усредненным уровнем ударной вязкости, а стабильностью этой характеристики, отсутствием отдельных выпадов

Реальная структура металла состоит из отдельных зерен, прослоек между ними, со- держит частицы второй фазы и неметаллические включения. Накопленный в различных странах мира опыт работы сварных соединений в реальных условиях свиде- . тельствует о том, что показатель ударной вязкости не может служить характеристикой надежности сварного соединения. При общем высоком уровне ударной вязкости в каком-либо объеме металла, работающего в реальных условиях, имеется вероятность возникновения микротрещин, острота которой на несколько порядков больше, чем острота надреза на ударных образцах и располагаться она будет на межзеренной границе, а не в произвольно выбранном месте, как это делается на ударных образцах.

В результате в металле может развиться трещина, которая, распространяясь, приведет к разрушению всей конструкции. Таким образом, нет смысла добиваться повышения ударной вязкоСти металла в целом, если нет уверенности в достаточной вязкости структуры, из которой этот металл состоит.

С целью описания вязких свойств структуры в стандарты различных стран были введены испытания на раскрытие вершины трещины, При этом основной концепцией данного вида испытаний является рассмотрение металла с реальной структурой и заданным размером трещины. В этом случае можно определить запас вязкости структуры при развитии трещины, или предельные условия нагружения, при которых не будет катастрофического распространения трещины.

Исследования показали, что при,испытании образцов, в которых заранее установлено отсутствие микротрещин, тем не менее возможны резкие выпады характеристик вязкости разрушения. Следовательно, даже при удовлетворительных результатах испытаний образцов с наведенной трещиной и при соблюдении условий максимальных допустимых нагружений конструкции, надежность сварных соединений не ыоиет быть

1780968 гарантирована. Установлено, чта подобные вь пады объясняются неоднородностью структуры металла. При этом усилия, значительно более низкие по сравнению с допустимыми, могут вызывать сдвиг зерен металла относительно друг друга и образование субмикротрещины, острота которой сопоставима с параметром решетки, Вероятность подобных процессов возрастает при усилении неоднородности зерен металла. Способность структуры сопротивляться .образованию субмикротрещин на границах зерен не может быть описана при помощи ударной вязкости, Данная характеристика описывается коэффициентом запаса вязкости (K ) и коэффициентом дефектостойкости (2)

Целью изобретения является повышение стабильности показателей ударной вязкости металла швов; выполняемых под керамическим флюсом при емпе натуре испытаний до минус 70 С.

Эта цель достигает. я тем, что в состав флюса вводят металли;ский хрс".л в каличестве от 0,3 до 1,0 мас,%, р, осталь.алые компоненты берут в следуащем состношении мас,%: магнезит обо>к>кенный 25 — 35; eoiластонит 12 — 24; ильменитовый кон. ентр- - т

4 — 12; силикат марганца 12 — 24; плаз. voвый шпат 6 — 10; ферромарганец 0,4 — 2,3: силикокальций 0,1 — 1,3; алюминиевый порошок 0,1 — 0,8;. электрокарунд 15 — 25.

Известно, что наиболее высокие зноч"";ния ударной вязкости металла ьизколегированных швов обеспечивает структура игольчатого феррита (ИФ), В л. тературе описаны случаи, когда не удается.: олучить высоких и стабильных значен:й удар».ой вязкости, несмотря на пав :щенное содержание в швах струк уры ИФ, Данные случаи нестабильности характеристик вязкости не находят объяснения в рамках используемых в настоящее время тео;>ий разрушения.

Оценку вязкости металла можно прс водить на трех уровнях, Первый — очень приблизительно, с большой вероятностью едйничных выпадов, — оценка ударной вязкости образца определенной формы при определ ен н ых условиях. Второй — оценка способности реальной структуры сопротивляться хрупкому распространению трещин. Третий — оценка способности реальной структуры сопротивляться образованию хрупкого скола. Соответственно методам испытаний различаются и цели, которые достигаются при получении определенного уровня результатов, Это может быть либо обеспечение определенного уровня прочностных и пластических свойств металла для достижения заданной энергии разруше10

25

50

55 ния образца металла при ударном нагружении, либо обеспечение определенной способности структуры сопротивляться развитию трещины, либо обеспечение определенн ной способности структуры соп ротивляться образованию хрупкого скола по границам зерен.

Даже при самых высоких значениях этой характеристики, в реальных условиях возможен сдвиг по границам зерен, образование хрупкого скола, развитие субмикротрещин и дальнейшее подрастание ее до критических размеров. Даже единичный акт хрупкого микроскола по границам зерен

5 структуры составляющих может привести к выходу из строя многотонной конструкции.

Задачей изобретения было не менять структуру металла с целью изменения его свойств, а снизить неоднородность в свойствах структурных составляющих для увеличения надежности всего сварного соединения.

Поставленная цель, — была достигнута за счет снижения неоднородности распределения легирующих элементов и структурных составляющих шва. Достижение цели подтверждается отсутствием выпадов значений ударной вязкости, а так>ке уровнем ко"-ффициента дефектостойкости! D2), которьь . отражает запас пластичности структуры, остаточный для того, чтобы микроскол вбл зи дефекта и последующее разрушение мета ла не могли бы возникнуть при деформации менее 2% и коэффициента запаса гязкости Кв), показывающего на сколько г ритическае напряжение xpgnxoro разрушения, определенное из условий Гриффитса, ". o..à=.èøàåò предел текучести материала.

В с "зи с тем, ч )ударная вязкость являе -ся интегральйой характеристикой, изучение причин нестабильности хла,;остойкости сварных швов производили с и пользованием структурно-детерминирова ных критериев! К«, Кв, О2). Установлено, 5 что наличие выпадов значений ударной вязкости при -70 С ниже уровня 30 Дж/см объясняется малой величиной коэффициента запаса вязкости(К ) и дефектостойкасти (D2) металла швов. Обе эти характеристики в значительной мере зависят от напряжения микроскола (R«) структуры сварных швов.

Металлографические исследования, выполненные на растровом электронном микроскопе в сочетании с энергодисперсным рентгеноспектральным анализом, позволили установить, что низкие значения (R«) объясняются высоким уровнем химической неоднородности на границах зерен игольчатого феррита. Особо заметное влияние на стойкость против хрупкого разрушения ока17809 á8 зывает неоднородность распределения содержание неметаллических включений,в кремния. результате чего снижается его ударная вязБыли выполнены работы с целью изуче- кость, появляется выпады по этой характения возможностей снижения уровня хими- ристике ниже допустимого уровня. ческой неоднородности кремния на 5 Введение в состав флюса плавикового шпаграницах зерен игольчатого феррита. В ре- та в количествах менее 6 мас, приводит к эультате этих работ было установлено, что формированию сварных швов с высотой равномерность распределения кремния, а усиления более 3,0 мм, следовательно и уровень Вм„можно значи- При введении в состав флюса ферротельно повысить при легировании металла 10 марганца в количествесвыше 2,3 мас.% возсварочной ванны небольшим количеством растает прочностные характеристики хрома. :- --- . наплавленного металла и снижаются коэфЭксперименты по сварке узлов метал- фициенты дефектостойкости и запаса вязлоконструкцийбылипроизведеныподфлю- кости (см. табл. 3), а при содержании во. сом-прототипом, в состав которого вводили 15 флюсе менее 0,4 мас.% ферромарганца различное содержание металлического хро- прочность образцов наплавлен ного металла ма (табл. 1). невегика, коэффициент дефектостойкости

Изучаласьстабильностьзначенийудар- . не превышает 0,3, а количество выпадов ной вязкости при отрицательных температу- значений ударной вязкости составляет 7 рах. Испытывались образцы сварных 20 мас, Металл, направленный под флюсом, соединений при использовании проволоки содержащим менее 0 1% силикокальция

Св-10Г2, практически без.влияния основно- или алюминиевого порошка, имеет повыго металла, с целью определения стойкости . шенное содержание кислорода(см. табл. 2), йротив хрупкого разрушения с помощью входящего в состав неметаллических вклюкритериев физики разрушения. Результа- 25 чений. При испытании образцов металла на ты этих исследований приведены в табли- ударный изгиб отмечено наличие выпадов цах 2 — 4. ниже допустимого уровня. Введение в соУстановлено, что оптимальным являет- став флюса силикокальция или алюминиеся содержание во флюсе 0,3 — 1,0 мас.% вого порошка свыше 1,3 мас,% или 0,8 . металлического хрома. 30 мас.% соответственно, приводит к увеличеКак видно из приведенных в этих табл, нию содержания кремния в наплавленном данных, содержание во флюсе магнезита металле, увеличению неоднородности его свыше 35 мас. или корунда менее 15 распределения в структурных составляюмас,% приводит к формированию сварных щих шва, что сказывается на заметном снишвов с высотой усиления более 3,0 мм. Та- 35 жении коэффициента дефектостойкости, кой шов является недопустимым концентра- увеличению количества выпадов по величитом напряжений в сварном соединении. не ударной вязкости. Введение в состав

При сварке под флюсом, содержащим менее флюса хрома металлического позволяет

25 мас.% магнезита или более 25 мас.% снизить данную неоднородность распредекорунда резко ухудшается формирование 40 ления кремния. Введение в состав флюса металла шва и отделимость шлаковой кор- хрома металлического в количестве менее ки. Плохое формирование сварного шва 0,3 мас.% не оказывает достаточного влияполучается также и при сварке под флюсом, ния на этот процесс. В этом случае анализ содержащим менее 12 мас.% волластонита наплавленного металла с использованием или силиката марганца. При повышенном 45 критериев физики разрушения показывает содержании каждого из этих компонентов низкое сопротивление его микросколу, ма-. во флюсе (свыше 24 мас. ) увеличиьается лые значения коэффициентов запаса вязко-. объемная доля неметаллических включений сти и дефектостойкости, увеличение в наплавленном металле, о чем можно су- количества выпадов по показателю ударной дить по содержанию кислорода (см. табл. 2). 50 вязкости. При введении в состав флюса меВ этих случаях наплавленный металл имеет таллического хрома в количестве свыше 1,0 низкий уровень ударной вязкости и боль- мас.% повышается прочность наплавленношое количество выпадов ниже уровня 28 го металла и снижается дефектостойкость.

Дж/см (см, табл. 3). Флюс, имеющий содер- На основании проведенных экспери жание ильменитового концентрата менее 4 55 ментов нами установлено, что с целью мас.% или плавикового шпата свыше 10 обеспечения хороших сварочно-технологимас.% формирует сварной шов с отдельны- ческих свойств флюса в сочетании с возми утяжинами и подрезами, а при содержа- можностью получения высоких значений нии ильменитового концентрата свыше 12 ударной вязкости металла шва при темперамас.% в наплавленном металле возрастает туре испытания до минус 70ОC и отсутствии

1780968

10 выпадов по этому показателю ниже уровня

28 Дж/см, компоненты флюса должны быть взяты в следующем соотношении (ма с.%):

Магнезит обожженный, 25 — 35

Волластонит 12 — 24

Концентрат ильменитовый .Силикат марганца

Электрокорунд

Шпат плавиковый

Ферромарганец

Силикокальций

Порошок алюминиевый 0,1 — 0,8

Хром металлический 0,3 — 1,0

Как видно из приведенных данных. введение во флюс по авторскому свидетельству

М 1088904 хрома металлического в количестве 0,3 — 1,0 мас.% позволяет существенно

5 увеличить запас вязкости и дефектостойкости сварных швов,.а следовательно, и надежность всей сварной конструкции в целом.Формула изобретения

10 Керамический флюс для сварки низколегированной стали по авт, св. % 1088904, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильйасти ударной вязкости, коэффициента вязкости и коэффициента де15 фектостойкости. состав дополнительно содержит металлический хром в количестве

0,3 — 1,0%.

4 — 12

12 — 24

15 — 25

6 — 10

0,4-2,3

0,1 — 1,3

Сос тав опытных флюс ов

Массовая доля /ф компонента во флюсе! аименование коипонен тов

I0 II 12

5 16.

8, 9

3 4

3I 2

I5

16

16

12

2,3

o,r

О,I

О,з

37

14

18

16

4 в

0;8

0,5

0,7

28

1О

3.

П

I,4

0,5

О,I

r,о

3r

I5

r6

I6

I2

2,3

0,05

0,15

0,5

3r

I5

16

16

12

5,6

2,5

0,55

О,OS

r,3

Магнезит обожженный

Еорунд электроплавленннй

Силикат марганца

Воллас тони т онцентрат илщенитовнй йпат плавиковый йерромаргенец

Сил икокельций

Порошок аишиниевый

Хром металлический

27

2I

12 о4

1О

1;О

0,5. о,.Ã

0,4

33,5

22,5

12

16

9

0,4

1.3 о,в

0,5

32,7

12

12

8 в

1 о,в

0,2 .

О,з

23

29

П

6

1,5

О,6

0,4

0.5

IS

14

I4

О,4

1 5

I;0 о,r

28, 25

re

12

6 в

О,з

I,2

0,8

0,7

20,7

12

I8

8

0,5

0,5 а,з

I8,5

24

16

6

О,5

0,6

0,4

1,0

Таблица 2

Химический состав наплавлен ного металла

Массовая оля / / в металле

Флюс

О

0,30

0,33 .0,25

0,37

0,22

0,35

0,35

: 0,32

0,31

0,46

0,27 . 0,35

045

2

5, 6

8

11

; 12

0,101

0,093

0,090

0,098

0,087

0,090

0,099

0,091

0,090.

0,089

0,090

0,088

0,089

1,42

1;40

1,45

1,41

1,57

1,46

1,53

1,50

1,51

1,41

1,55

1,58

1,34

0,30

0,42

0,34

0,43

0,31

0,33

0,44

0,40

0,47

0,25

0,38

0,52

043

0,106

0,018

0,017

0,022

0,016

0,019

0,018

0,024

0,016

0,027

0,020

0,018

0 025

0,040

0,042 . 0,044

0,037

0.043

0,040.

0,043

0 034

0,047 . 0,033

0,044

0,043

0 033

1780968

Таблица 3

Механические свойства наплавленного металла

Таблица 4

Сварочно-технологичеСкие свойства флюсов..

П р и м е ч а н и е, Оценка отделимости шлака и формирования шва выполнялось по 5-.ти бальной системе, а вйсота уСиления дана в мм. t

Составитель В. Головко

Редактор С. Кулакова Техред M.Mîðãåíòàë- Корректор С. Патрушева с

-, Заказ 4239"- :: Тираж . .. Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж 35, Раушская наб., 4/5

Производственйа- издательскйй комбийат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 161