Состав сварочной проволоки

 

Изобретение относится к сварочному производству. Состав сварочной проволоки содержит следующие компоненты, мас.%: углерод 0,04-0,12, хром 0,4-0,9, кремний 0,2-0,5, марганец 0,8-1,4, молибден 0,2-0,6, ванадий 0,1-0,4, сера не более 0,025, фосфор не более 0,025, кальций 0,05-0,12, никель 0,05-0,4, железо - остальное, при этом отношение содержания углерода к суммарному содержанию молибдена и ванадия должно составлять 0,12-0,13, а отношение содержания серы к суммарному содержанию кальция и марганца должно быть в пределах 0,016-0,029. Технический результат заключается в повышении эффективности и технологичности сварки изделий из высокоуглеродистых сталей за счет повышения сопротивляемости против горячих трещин и хрупкого разрушения, вязкости в сочетании с высокой антикоррозионной твердостью и прочностью сварного шва.

Изобретение относится к сварке и касается состава сварочной проволоки для сварки и наплавки изделий из высокоуглеродистых сталей, работающих при больших знакопеременных нагрузках.

Известен состав сварочной проволоки для сварки и наплавки высокоуглеродистых сталей с повышенным содержанием серы, содержащий компоненты при следующем соотношении, мас.%: Углерод - - 0,06-0,11 Хром - 0,95-1,25 Кремний - 0,45-0,70 Марганец - 1,20-1,50 Молибден - 0,50-0,70 Ванадий - 0,20-0,35 Сера - Не более 0,03 Фосфор - Не более 0,03 Никель - <0,30
Однако известный состав сварочной проволоки не обеспечивает при сварке и наплавке высокоуглеродистых сталей мелкозернистую стабильную структуру с требуемой пластичностью и вязкостью, а также стойкую к хрупкому разрушению и горячим трещинам. Кроме того, применение известного состава сварочной проволоки при наплавке высокоуглеродистых сталей приводит к образованию трещин в наплавленном металле из-за чувствительности его к скорости охлаждения и неметаллическим включениям сульфидного типа.

Наиболее близким из известных по своей технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа состав сварочной проволоки, содержащий углерод, хром, кремний, марганец, молибден, ванадий, серу, фосфор, кальций, железо, в который введен кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,06-0,10
Хром - 0,9-1,20
Кремний - 0,4-0,70
Марганец - 1,55-1,80
Молибден - 0,5-0,70
Ванадий - 0,2-0,45
Сера - 0,025-0,04
Фосфор - 0,025-0,030
Кальций - 0,05-0,20
Железо - остальное
при этом отношение содержания углерода к суммарному содержанию молибдена и ванадия составляет 0,066 - 0,087, а отношение содержания серы к суммарному содержанию кальция и марганца находится в пределах 0,015 - 0,020 (см, например, описание изобретения к патенту РФ N 2104138, кл. B 23 K 35/30, опубл. 1998).

К недостаткам прототипа можно отнести нестабильное мерцающее горение дуги, а также возможность образования горячих трещин и сравнительная хрупкость сварного шва.

Техническим результатом, на достижение которого направлено данное изобретение, является повышение эффективности и технологичности сварки и наплавки изделий из высокоуглеродистых сталей за счет повышения сопротивляемости против горячих трещин и хрупкого разрушения, вязкости в сочетании с высокой антикоррозийной твердостью и прочностью сварного шва.

Технический результат достигается тем, что состав сварочной проволоки, содержащий углерод, хром, кремний, марганец, молибден, ванадий, серу, фосфор, кальций, железо, дополнительно содержит никель при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,04-0,12
Хром - 0,4-0,91
Кремний - 0,2-0,5
Марганец - 0,8-1,4
Молибден - 0,2-0,6
Ванадий - 0,1-0,4
Сера - не более 0,025
Фосфор - не более 0,025
Кальций - 0,05-0,12
Никель - 0,05-0,4
Железо - остальное,
при этом отношение содержания углерода к суммарному содержанию молибдена и ванадия должно составлять 0,12 - 0,13, а отношение содержания серы к суммарному содержанию кальция и марганца должно быть в пределах 0,016 - 0,029.

Ванадий, молибден и кальций в предлагаемых пределах введены в сварочную проволоку как комплекс карбидообразующих и модифицирующих добавок.

При введении ванадия менее 0,1% карбиды ванадия образуются в металле сварного шва в незначительном количестве, что приводит к росту зерна при сварке и как следствие к снижению ударной вязкости и прочности металла шва.

Повышение содержания ванадия выше 0,4% приводит к чрезмерному напряжению, особенно границ зерен, что приводит к снижению ударной вязкости и появлению трещин в основном в околошовной зоне сварки.

Молибден и ванадий, введенные в предлагаемых пределах, при сварке высокомарганцовистых сталей в металле шва и околошовной зоне образуют карбиды мелкодисперсной формы.

Введение в композицию никеля в качестве стабилизатора дуги и пластификатора технологического процесса в пределах 0,05 - 0,4% обеспечивает повышение сопротивляемости против горячих трещин и хрупкого разрушения, вязкости в сочетании с высокой антикоррозийной твердостью и прочностью сварного шва, что в конечном итоге обеспечивает повышение эффективности и технологичности сварки и наплавки изделий из высокоуглеродистых сталей, при этом содержание никеля менее 0,05% не оказывает заметного влияния на технологичность процесса и сварного шва, а увеличение содержания никеля свыше 0,4% ведет к неоправданному резкому увеличению стоимости сварочных электродов.

Экспериментальным путем было установлено, что соотношение содержания углерода, молибдена и ванадия, позволяющее получить оптимальную стабильную структуру металла сварного шва при сварке высокоуглеродистых сталей с мелкодисперсными карбидами, должно отвечать следующей зависимости:
C:(Mo+V)=0,12-0,13
где C - содержание углерода, мас.%;
V - содержание ванадия, мас.%;
Mo - содержание молибдена, мас.%.

При увеличении данного соотношения более 0,13% ухудшается состав карбидной зоны металла шва - появляются менее твердые карбиды цементного типа.

При снижении данного соотношения менее 0,12% снижается прочность металла сварного шва за счет уменьшения количества карбидной фазы.

Кальций введен в количестве 0,05-0,12% как раскислитель и образует в металле сварного шва оксисульфиды глобулярной формы. При содержании кальция ниже 0,05 мас. % ухудшается морфология сульфидов, приобретающих игольчатую форму, что вызывает снижение стойкости металла шва к хрупкому разрушению.

Избыточное содержание кальция выше 0,12 мас.% приводит к выделению оксисульфидов по границам зерен и снижению как следствие стойкости металла шва к хрупкому разрушению. Оптимальное соотношение содержания серы, кальция и марганца, позволяющее получить металл сварного шва с минимальным содержанием неметаллических включений по границам зерен, а также с мелкими оксисульфидами глобулярной формы, было определено экспериментальным путем и отвечает следующей зависимости:
S:(Ca+Mn)=0,016-0,029
где S - содержание серы, мас.%;
Ca - содержание кальция, мас.%;
Mn - содержание марганца, мас.%.

При увеличении данного соотношения более 0,029 мас.% снижаются пластические свойства металла сварного шва за счет выделения при сварке высокоуглеродистых сталей в металле шва сульфидов марганца игольчатой формы, что приводит к снижению стойкости, к хрупкому разрушению, т.е. образуются трещины.

Снижение данного соотношения менее 0,016 мас.% может привести к выделению оксисульфидов по границам зерен и снижению стойкости металла сварного шва к хрупкому разрушению.

Как показывают экспериментальные данные, предлагаемая сварочная проволока при сочетании оптимальных соотношений C:(Mo+V) = 0,12-0,13 и S:(Ca+Mn)= 0,016-0,029, а также при содержании остальных компонентов в предлагаемом диапазоне позволяет получить хороший комплекс механических свойств металла сварного шва, а именно сочетание высоких значений прочности, пластичности, стойкости к хрупкому разрушению.

Такое сочетание свойств обеспечивается стабильной структурой металла сварного шва, наличием мелкодисперсных карбидов, которые способствуют образованию мелкого зерна в металле шва.

На базе АО "Электросталь", г. Электросталь были изготовлены несколько вариантов сварочной проволоки различного состава. Изготовленной сварочной проволокой диаметром 3 мм производили сварку "колесной стали "2" следующего состава, мас.%: C-0,04-0,12; Cr 0,4-0,9; Mn 0,8-1,4; Si 0,2-0,5; Mo 0,2-0,6; V 0,1-0,4; P не более 0,025; S не более 0,025; Ca 0,05-0,12; Ni 0,05-0,4; Fe - остальное.

Режим сварки: I_св = 320 ± 20A,
U_св = 29 ± 2B,
V_св = 20 м/ч.

Температура подогрева 160^oC.

После сварки вырезанные стандартные образцы подвергались визуальному осмотру и механическим испытаниям.

Наряду с испытаниями образцов сваренных предлагаемой сварочной проволокой качественной оценке подвергались образцы металлов шва, сваренных проволокой 08ХСМФА (прототип).

Режим сварки тот же, что и в случае с предлагаемой сварочной проволокой, но даже при температуре предварительного подогрева 180^oC в металле шва, сваренного проволокой прототипом, появляются трещины размером от 1 мм по всей длине.

Металлографический анализ показал, что металл сварного шва имеет многочисленные сульфиды марганца игольчатой формы.

Твердость металла сварного шва 300-330 HV.

В результате испытаний на основании полученных данных можно установить, что для получения стабильной структуры металла сварного шва и высоких механических свойств необходимо для сварки высокоуглеродистых сталей использовать сварочную проволоку предлагаемого состава, учитывая предлагаемые соотношения.

Результаты исследований на прочность и ударную вязкость подтверждаются ранее полученными результатами на качественную оценку жестких проб для горячих и холодных трещин. Кроме этого, наличие трещин на натуральных образцах полностью совпадает с наличием трещин на исследуемых образцах.

Формула изобретения

Состав сварочной проволоки, содержащий углерод, хром, кремний, марганец, молибден, ванадий, серу, фосфор, кальций, железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит никель при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,04 - 0,12
Хром - 0,4 - 0,9
Кремний - 0,2 - 0,5
Марганец - 0,8 - 1,4
Молибден - 0,2 - 0,6
Ванадий - 0,1 - 0,4
Сера - не более 0,025
Фосфор - не более 0,025
Кальций - 0,05 - 0,12
Никель - 0,05 - 0,4
Железо - Остальное
при этом отношение содержания углерода к суммарному содержанию молибдена и ванадия должно составлять 0,12 - 0,13, а отношение содержания серы к суммарному содержанию кальция и марганца должно быть в пределах 0,016 - 0,029.