Состав сварочной проволоки
Изобретение может быть использовано при сварке и наплавке изделий из высокоуглеродистых сталей, работающих при больших знакопеременных нагрузках, в частности, для восстановления узлов и деталей железнодорожного подвижного состава. Сварочная проволока содержит, мас.%: углерод 0,04-0,10, кремний 0,2-0,8, марганец 0,9-1,6, ванадий 0,1-0,6, кальций 0,0012-0,002, медь не более 0,25, хром не более 0,25, молибден не более 0,08, сера не более 0,025, фосфор не более 0,030, железо - остальное. Отношение содержания углерода к суммарному содержанию молибдена и ванадия должно составлять 0,15-0,22. Отношение содержания серы к суммарному содержанию кальция и марганца должно быть в пределах 0,016-0,028. Состав обеспечивает получение сочетание высоких оптимальных значений прочности, пластичности и стойкости наплавленного металла к хрупкому разрушению.
Изобретение относится к сварке и касается состава сварочной проволоки для сварки и наплавки изделий из высокоуглеродистых сталей, работающих при больших знакопеременных нагрузках, и может быть использовано, преимущественно, при восстановлении узлов и деталей железнодорожного подвижного состава.
Известен состав сварочной проволоки, содержащий углерод, хром, кремний, марганец, молибден, ванадий, серу, фосфор, железо, в который введен кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод 0,06-0,10
Хром 0,9-1,2
Кремний 0,4-0,7
Марганец 1,55-1,8
Молибден 0,5-0,7
Ванадий 0,2-0,45
Сера 0,025-0,04
Фосфор 0,025-0,030
Кальций 0,05-0,2
Железо Остальное
при этом отношение содержания углерода к суммарному содержанию молибдена и ванадия должно составлять 0,066-0,087, а отношение содержания серы к суммарному содержанию кальция и марганца должно быть в пределах 0,015-0,020 (см. патент РФ № 2104138, кл. В 23 К 35/30, опубл. 1998).
К недостаткам данного состава можно отнести нестабильное мерцающее горение дуги, а также возможность образования горячих трещин и сравнительную хрупкость сварного шва.
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, кальций, серу, фосфор и железо (см. патент РФ № 2167037, кл. В 23 К 35/30, опубл.2001).
К недостаткам прототипа также можно отнести нестабильное мерцающее горение дуги, что может привести к ее гашению, а также возможность образования горячих трещин и сравнительную хрупкость сварного шва.
Сущность заявляемого изобретения выражается в совокупности существенных признаков, достаточных для достижения обеспечиваемого предлагаемым изобретением технического результата, который выражается в получении оптимальных физико-механических свойств металла сварного шва при сварке высокоуглеродистых сталей, а именно: сочетание высоких оптимальных значений прочности, пластичности, стойкости к хрупкому разрушению за счет обеспечения стабильной равномерно распределенной мелкодисперсной структуры при высокой антикоррозийной твердости и прочности металла сварного шва.
Указанный технический результат достигается тем, что в состав сварочной проволоки, содержащий углерод, хром, кремний, марганец, молибден, ванадий, серу, фосфор, кальций, железо, введена медь при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод 0,04-0,10
Кремний 0,2-0,8
Марганец 0,9-1,6
Ванадий 0,1-0,6
Кальций 0,0012-0,002
Медь Не более 0,25
Хром Не более 0,25
Молибден Не более 0,08
Сера Не более 0,025
Фосфор Не более 0,030
Железо Остальное
при этом отношение содержания углерода к суммарному содержанию молибдена и ванадия должно составлять 0,15-0,22, а отношение содержания серы к суммарному содержанию кальция и марганца должно быть в пределах 0,016-0,028.
Ванадий, молибден и кальций в предлагаемых пределах введены в состав сварочной проволоки как комплекс карбидообразующих и модифицирующих добавок.
При введении ванадия менее 0,1 мас.% 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 0,6 мас.% 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 в околошовной зоне образуют карбиды мелкодисперсной формы.
Введение в композицию меди в качестве стабилизирующего компонента магнитной составляющей электрической дуги и пластификатора технологического процесса обеспечивает повышение сопротивляемости против горячих трещин и хрупкого разрушения, вязкости в сочетании с высокой антикоррозийной твердостью и прочностью сварного шва, что обеспечивает повышение эффективности и технологичности сварки и наплавки изделий из высокоуглеродистых сталей, при этом увеличенное содержание меди ведет к ухудшению технико-экономических характеристик данного состава и неоправданному резкому увеличению стоимости сварочных электродов.
Экспериментальным путем было установлено, что соотношение содержание углерода и суммарного содержания молибдена и ванадия, позволяющее получить оптимальную стабильную структуру и высокое качество поверхности металла сварного шва при сварке высокоуглеродистых сталей с равномерно распределенными мелкодисперсными карбидами должно отвечать следующей зависимости:
C:(Mo+V)=0,15-0,22,
где С, V, Мо - содержание углерода, ванадия, молибдена, мас.%.
При увеличении данного соотношения более 0,22% ухудшается состав карбидной зоны металла шва - появляются менее твердые карбиды цементного типа.
При снижении данного соотношения менее 0,15% снижается прочность металла сварного шва за счет уменьшения количества карбидной фазы.
Кальций введен в количестве 0,0012-0,002 мас.% как раскислительный компонент и образует в металле сварного шва оксисульфиды глобулярной формы. При содержании кальция ниже 0,0012 мас.% ухудшается морфология сульфидов, приобретающих игольчатую форму, что вызывает резкое снижение стойкости металла шва к хрупкому разрушению.
Избыточное содержание кальция выше 0,002 мас.% приводит к выделению оксисульфидов по границам зерен и снижению стойкости металла шва к хрупкому разрушению.
Оптимальное соотношение содержание серы и суммарного содержания кальция и марганца, позволяющее получить высокое качество поверхности металла 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:(Са+Мn)=0,016-0,028,
где S, Са, Мn - содержание серы, кальция, марганца, мас.%.
При увеличении данного соотношения более 0,028 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, а также к образованию трещин и последующему хрупкому разрушению сварного шва.
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 одновременном сочетании оптимальных соотношений С:(Мо+V)=0,15-0,22 и S:(Са+Мn)=0,016-0,028, а также при содержании остальных указанных компонентов в предлагаемом диапазоне позволяет получить хороший комплекс физико-механических свойств металла сварного шва, а именно: сочетание высоких оптимальных значений прочности, пластичности, стойкости к хрупкому разрушению.
Такое сочетание физико-механических свойств металла обеспечивается стабильной структурой металла сварного шва, а также наличием равномерно распределенных мелкодисперсных карбидов, которые способствуют образованию мелкого зерна в металле сварного шва.
На базе ОАО “Электросталь” Московской области были изготовлены несколько вариантов сварочной проволоки различного состава. Изготовленной сварочной проволокой диаметром 3 мм производили сварку колесной стали следующего состава, мас.%: С 0,04-0,10; Si 0,5; Mn 1,1; V 0,2; Са 0,0015; Сu 0,2; Cr 0,2; Мо 0,06; S 0,02; Р 0,03; Fe - остальное.
Режим сварки: Iсв=320±20 A, U св=29±2В, Vсв=20 м/ч.
Температура нагрева 160°С.
После сварки вырезанные стандартные образцы подвергались визуальному осмотру и механическим испытаниям.
Наряду с испытаниями образцов сваренных предлагаемой сварочной проволокой качественной оценке подвергались образцы металлов сварного шва, сваренных проволокой 08ХСМФА (прототип).
Режим сварки тот же, что и в случае с предлагаемой сварочной проволокой, но даже при температуре предварительного подогрева 180°С в металле шва, сваренного проволокой-прототипом, появляются мелкие волосяные 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 составляет 300-330 HV.
В результате проведенных испытаний на основании полученных данных можно установить, что для получения стабильной структуры металла сварного шва и высоких физико-механических свойств для сварки высокоуглеродистых сталей необходимо использовать сварочную проволоку предлагаемого состава с учетом предлагаемых соотношений.
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 медь при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод 0,04-0,10
Кремний 0,2-0,8
Марганец 0,9-1,6
Ванадий 0,1-0,6
Кальций 0,0012-0,002
Медь Не более 0,25
Хром Не более 0,25
Молибден Не более 0,08
Сера Не более 0,025
Фосфор Не более 0,030
Железо Остальное
при этом отношение содержания углерода к суммарному содержанию молибдена и ванадия должно составлять 0,15-0,22, а отношение содержания серы к суммарному содержанию кальция и марганца должно быть в пределах 0,016-0,028.
