Состав сварочной ленты и проволоки
Изобретение относится к металлургии сложно легированных сварочных материалов для наплавки антикоррозионного покрытия изделий атомного энергомашиностроения. Предлагаемые материалы могут быть также использованы для антикоррозионной наплавки реакторов гидрокрекинга и сварки нефтехимического оборудования, а также других изделий ответственного назначения. Предлагается состав сварочной ленты и проволоки, содержащий массовую долю элементов, мас. %: углерод 0,01-0,025; кремний 0,17-0,35; марганец 1,3-1,7; хром 17,50-19,50; никель 10,00-11,00; ниобий 0,7-0,9; сера 0,003-0,010; фосфор 0,003-0,010; алюминий 0,01-0,05; азот 0,01-0,025; медь 0,01-0,04; свинец 0,0005-0,001; мышьяк 0,001-0,005; олово 0,001-0,005; сурьма 0,001-0,005; кобальт 0,01-0,05; РЗМ 0,05-0,10; железо остальное. Техническим результатом изобретения является создание высокотехнологичных коррозионно-стойких радиационно стойких сварочных материалов для наплавки покрытия, обладающего повышенной стойкостью против охрупчивания при температурах до 500oС в условиях интенсивного нейтронного облучения в контакте с водой высоких параметров по сравнению с существующими аналогами, что обеспечивает повышение эксплуатационной надежности и безопасности, а также общего ресурса работы корпусов реакторов атомных энергоустановок нового поколения. 4 з.п. ф-лы, 5 табл., 1 ил.
Изобретение относится к металлургии сложно легированных сварочных материалов, содержащих железо, хром, никель, углерод, марганец, ниобий, и может быть использовано при изготовлении изделий атомного энергомашиностроения, работающих при температурах до 500oС в условиях интенсивного нейтронного облучения в контакте с водой высоких параметров, а также изделий нефтяного машиностроения и других отраслей промышленности.
Известны сварочные материалы - аналоги: а.с. 836194, 1981 г., СССР; а.с. 1232445, 1986 г., СССР; заявка 60-130496, 1987 г., Япония. Однако эти материалы характеризуются неудовлетворительным формированием наплавленного металла, низким уровнем гарантированных механических свойств после технологических отпусков (относительное сужение 35%, ударная вязкость, определенная на образцах Манеже, 400 кДж/см2), а также низкой стойкостью против коррозионного растрескивания под напряжением в водных средах в условиях повышенных температур и облучения. Наиболее близкой к предлагаемой сварочной ленте и проволоке по составу, свойствам и назначению, принятой за прототип, является сварочная лента марки Св-04Х20Н10Г2Б (ЭП-762) по ТУ 14-1-2270-77 со следующей массовой долей элементов, %: Углерод - Не более 0,04 Кремний - 0,20-0,45 Марганец - 1,80-2,20 Хром - 18,50-20,50 Никель - 9,00-10,50 Ниобий - 0,90-1,30 Сера - Не более 0,018 Фосфор - Не более 0,025 Железо - ОстальноеСодержание ферритной фазы в стали - 5-8%
Этот материал в настоящее время широко применяется для антикоррозионной наплавки корпусов реакторов и оборудования типа ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 со сроком эксплуатации до 30 лет. Металл шва и наплавки, выполненный лентой и проволокой известного состава (Св-04Х20Н10Г2Б), не проявляет склонности к межкристаллитной и питтинговой коррозии, а также к коррозионному растрескиванию под напряжением в условиях облучения флюенсом до 61019 нейтр/см2 (Е>0,5 МэВ) при температуре (270340)oС. Однако исследования, выполненные в последние несколько лет, выявили стабильно низкое значение пластичности и ударной вязкости металла наплавки в исходном состоянии (после технологических отпусков) и существенное снижение указанных характеристик после облучения, что свидетельствует о его склонности к радиационному охрупчиванию и может привести к переходу наплавки в хрупкое состояние. Задачей настоящего изобретения является разработка состава сварочной ленты и проволоки для антикоррозионной наплавки, обладающей более высокой пластичностью и ударной вязкостью после технологических отпусков при температуре (640685)oС, а также после облучения при температуре (270340)oС при сохранении требуемой коррозионной стойкости и технологической прочности. Поставленная задача достигается оптимизацией содержания хрома, никеля, марганца, кремния, ниобия, серы, фосфора, а также введением алюминия, азота, меди, кобальта, свинца, олова, мышьяка, сурьмы, церия и иттрия при следующем соотношении массовой доли элементов, %:
Углерод - 0,01-0,025
Кремний - 0,17-0,35
Марганец - 1,3-1,7
Хром - 17,50-19,50
Никель - 10,00-11,00
Ниобий - 0,7-0,9
Сера - 0,001-0,010
Фосфор - 0,001-0,015
Алюминий - 0,01-0,05
Азот - 0,01-0,025
Медь - 0,005-0,04
Свинец - 0,0005-0,001
Мышьяк - 0,001-0,005
Олово - 0,001-0,005
Сурьма - 0,001-0,005
Кобальт - 0,01-0,05
РЗМ - 0,05-0,10
Железо - Остальное
при соблюдении следующих соотношений массовой доли элементов, %:
S+P<0,020 [1]
Cu+Pb+Sn+As+Sb<0,045 [2]
для повышения стойкости против теплового и радиационного охрупчивания, а также
[Crэкв.]-8[Niэкв.]1,6[Crэкв.]-17,5, [3]
где [Сrэкв.]=%Сr+1,5x%Si+0,5x%Nb,
[Niэкв.]=%Ni+30x%C+30x%N+0,5x%Mn
для обеспечения технологической прочности в процессе сварки и наплавки, которая достигается при содержании ферритной фазы в структуре стали в пределах 3-6%. Регламентированное содержание ферритной фазы в пределах 5-8% в стали для изготовления ленты известного состава (прототипе) задано исходя из необходимости обеспечения 2-8% ферритной фазы в наплавленном металле. На основании анализа статистических данных по механическим свойствам наплавки известного состава за 15 лет выявлено, что при содержании ферритной фазы в металле наплавки более 6% не всегда обеспечивается требуемый уровень пластичности и ударной вязкости наплавленного металла в исходном состоянии. Также известна негативная роль ферритной фазы в процессах теплового и радиационного охрупчивания. Экспериментально установлено, что с увеличением количества ферритной фазы (даже в пределах 2-8%) возрастает склонность наплавки к отпускному охрупчиванию, что выражается в снижении пластичности и уровня ударной вязкости. Расчет содержания ферритной фазы производился по диаграмме Шеффлера, представленной на чертеже . На диаграмме нанесены точки, соответствующие минимальным и максимальным значениям эквивалента хрома [Сrэкв.] и эквивалента никеля [Niэкв.] для разработанного состава; полученный прямоугольник включает все возможные значения содержания ферритной фазы. Там же нанесены прямые, соответствующие 3% и 6% ферритной фазы. Заштрихованная область удовлетворяет всем приведенным выше требованиям по химическому составу и соотношению [3]. Из основных легирующих элементов наиболее сильное влияние на снижение пластичности наплавленного металла после штатных отпусков оказывают хром в количестве более 19,5% и кремний, если его массовая доля составляет более 0,35%, а наличие ниобия более 0,9% приводит к существенному снижению пластичности даже без термообработки. В то же время кремний участвует в окислительно-восстановительных процессах, протекающих в сварочной ванне, и при его содержании менее 0,17% возможно образование пор в металле наплавки или шва. При содержании ниобия в ленте и проволоке менее 0,7% не обеспечивается стойкость против межкристаллитной коррозии наплавленного металла после технологических отпусков. Легирование РЗМ (иттрием и церием) в количестве до 0,10% повышает технологическую прочность при сварке и пластичность наплавленного металла за счет очищения границ зерен от элементов, способствующих отпускному и особенно радиационному охрупчиванию. При большем содержании РЗМ увеличивается сегрегация легкоплавких эвтектик примесей по границам зерен, что приводит к снижению пластичности наплавки. Ограничение содержания углерода и азота вызвано необходимостью снижения склонности металла наплавки к отпускному охрупчиванию за счет уменьшения количества карбидов и карбонитридов по границам зерен. При этом для обеспечения коррозионной стойкости наплавленного металла после технологических отпусков в области температур 650700oС и облучения стало возможным снизить содержание ниобия до 0,7-0,9%. Углерод и азот, являясь аустенитообразующими элементами, оказывают влияние на содержание ферритной фазы в металле наплавки и шва. Уменьшение содержания углерода и азота в составе сварочной ленты и проволоки вызвало необходимость ограничения содержания хрома не более 19,5% с целью получения не более 6% ферритной фазы в наплавленном металле, но не менее 17,5% с целью обеспечения стойкости против общей и межкристаллитной коррозии. Известно, что при выдержках в области температур 500700oС (что имеет место при технологическом отпуске) повышается концентрация кремния и олова на границах зерен, причем олово образует с никелем хрупкое соединение типа NiSn. Медь в количестве более 0,04% в условиях облучения повышает хрупкость металла наплавки. При содержании алюминия в количестве более 0,05% возможно образование межваликовых трещин за счет возникновения хрупких интерметаллидных фаз типа Ni3Аl. Наличие в металле мышьяка до 0,01%, сурьмы, олова, свинца до 0,005% каждого заметно ухудшает сопротивляемость наплавки радиационному охрупчиванию при температуре 288oС. Охрупчивающая способность элементов возрастает в последовательности
Р<Sn
Формула изобретения
Углерод - 0,01-0,025
Кремний - 0,17-0,35
Марганец - 1,3-1,7
Хром - 17,50-19,50
Никель - 10,00-11,00
Ниобий - 0,7-0,9
Сера - 0,003-0,010
Фосфор - 0,003-0,010
Алюминий - 0,01-0,05
Азот - 0,01-0,025
Медь - 0,01-0,04
Свинец - 0,0005-0,001
Мышьяк - 0,001-0,005
Олово - 0,001-0,005
Сурьма - 0,001-0,005
Кобальт - 0,01-0,05
РЗМ - 0,05-0,10
Железо - Остальное
2. Состав по п. 1, отличающийся тем, что суммарное содержание меди, свинца, олова, сурьмы и мышьяка не превышает 0,045. 3. Состав по п. 1, отличающийся тем, что суммарное содержание серы и фосфора не превышает 0,020. 4. Состав по п.1, отличающийся тем, что между хромовым и никелевым эквивалентами по диаграмме Шеффлера выполняется следующее соотношение:
[Сrэкв]-8[Niэкв]1,6[Сrэкв]-17,5,
где [Сrэкв]=%Сr+1,5%Si+0,5%Nb;
[Niэкв]=%Ni+30%C+30%N+0,5%Mn. 5. Состав по п. 1, отличающийся тем, что в качестве РЗМ применяются иттрий и церий.
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5