Порошковая проволока марки 48пп-10т для сварки хладостойких низколегированных сталей
Владельцы патента RU 2300452:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "ПРОМЕТЕЙ" (ФГУП "ЦНИИ КМ "ПРОМЕТЕЙ") (RU)
Изобретение может быть использовано для механизированной сварки в защитном газе низколегированных хладостойких сталей нормальной и повышенной прочности в различных отраслях промышленности, например в трубной, судостроительной и нефтехимической отраслях промышленности. Порошковая проволока содержит, мас.%: двуокись титана 4,21-7,32; полевой шпат 0,50-1,50; электрокорунд 0,21-0,71; натрий кремнефтористый 0,20-0,50; ферросилиций 0,35-0,65; ферромарганец 1,20-3,10; никель 0,7-1,4; периклаз 0,2-0,4; железный порошок 2,1-4,7; комплексная лигатура 0,22-0,83; оболочка из низкоуглеродистой стали - остальное. Комплексная лигатура содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: лантан 15-40; празеодим 1-10; церий 15-20; неодим 3-7; железо - остальное. Сталь оболочки составляет 78-88,8% от общей массы проволоки и имеет следующий состав, мас.%: углерод 0,04-0,08; марганец 0,15-0,30; кремний 0,01-0,03; фосфор 0,007-0,012; сера 0,01-0,02. Изобретение позволяет повысить работу удара металла шва за счет легирования никелем и микролегирования РЗМ, обеспечивая благоприятное формирование металла шва при сварке и высокую хладостойкость сварного соединения при температурах до минус 60°С, и расширяет технологические возможности предлагаемой проволоки. 3 табл.
Изобретение относится к сварочным материалам, а именно к порошковым проволокам, и может быть использовано для механизированной сварки в защитном газе низколегированных хладостойких сталей нормальной и повышенной прочности в различных отраслях промышленности, например в трубной, судостроительной и нефтехимической отраслях промышленности, с обеспечением хладостойкости шва при температурах до минус 60°С.
Производство стальных конструкций связано с большими объемами сварки, в том числе механизированной сваркой в защитном газе. При этом значительный объем сварки выполняется в пространственных положениях, отличных от нижнего. Кроме того, современные лакокрасочные средства требуют высокой чистоты окрашиваемой поверхности. Для изготовления таких конструкций обычно применяется механизированная сварка сплошной проволокой, которая существенно уступает по производительности и сварочно-технологическим свойствам порошковой проволоке [1].
Более низкие сварочно-технологические свойства (потери на разбрызгивание, плавность сопряжения шва с основным металлом, формирование шва в положениях, отличных от нижнего без прерывания дуги) сплошной проволоки по сравнению с порошковой обуславливаются отсутствием шлака. Шлак образуется в процессе плавления наполнителя порошковой проволоки.
Существующие отечественные порошковые проволоки не обеспечивают требуемую хладостойкость при температурах до минус 60°С.
Известна порошковая проволока марки 48ПП-8Н [2], обеспечивающая хладостойкость при температурах до минус 20°С.
Однако в настоящее время уровень требований по хладостойкости металла сварных швов значительно возрос.
Сплошные проволоки, которые удовлетворяют данным требованиям, уступают порошковым проволокам в сварочно-технологических свойствах.
Ближайшей по составу и назначению к заявляемой является порошковая проволока марки 48ПП-8Н 111, принятая за прототип, содержащая порошкообразную шихту при следующем соотношении компонентов, мас.% от проволоки:
| Рутиловый концентрат | 4,35-8,35 |
| Полевой шпат | 0,50-1,50 |
| Электрокорунд | 0,25-0,65 |
| Кремнефтористый натрий | 0,20-0,50 |
| Ферросилиций | 0,30-0,70 |
| Ферромарганец | 1,45-3,45 |
| Железный порошок | 3,65-5,65 |
| Калий-натриевая силикат-глыба | 0,15-0,45 |
| Комплексная лигатура | 0,35-0,75 |
| Оболочка из низкоуглеродистой стали | Остальное |
комплексную лигатуру, содержащую компоненты в следующем соотношении, мас.%:
| Бор | 0,055-0,085 |
| Магний | 2,8-3,6 |
| Алюминий | 1,2-1,8 |
| Литий | 0,026-0,038 |
| Железо | Остальное |
сталь оболочки, составляющую 78-88,8% от общей массы проволоки и имеющую следующий состав, мас.%:
| Углерод | 0,06 |
| Марганец | 0,30 |
| Кремний | 0,03 |
| Фосфор | 0,015 |
| Сера | 0,015 |
Данная порошковая проволока-прототип для сварки низколегированных сталей обеспечивает высокую хладостойкость сварного шва за счет микролегирования бором при температурах до минус 20°С. Недостатком данной порошковой проволоки-прототипа является недостаточно высокий уровень работы удара при температуре минус 60°С из-за низкой раскисленности металла шва и отсутствие легирования элементами, повышающими работу удара при отрицательных температурах.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание порошковой проволоки, обладающей значительно улучшенными вязкостными характеристиками сварного соединения при температурах до минус 60°С.
Технический результат достигается тем, что в порошковую проволоку для механизированной сварки низколегированных хладостойких сталей, состоящую из стальной оболочки и порошкообразной шихты, содержащей полевой шпат, электрокорунд, кремнефтористый натрий, ферросилиций, ферромарганец, железный порошок и комплексную лигатуру, дополнительно введены двуокись титана, периклаз и никель, а комплексная лигатура содержит лантан, празеодим, церий и неодим (РЗМ), при следующем соотношении компонентов, мас.% от проволоки:
| Двуокись титана | 4,21-7,32 |
| Полевой шпат | 0,50-1,50 |
| Электрокорунд | 0,21-0,71 |
| Натрий кремнефтористый | 0,20-0,50 |
| Ферросилиций | 0,35-0,65 |
| Ферромарганец | 1,20-3,10 |
| Никель | 0,7-1,4 |
| Периклаз | 0,2-0,4 |
| Железный порошок | 2,1-4,7 |
| Комплексная лигатура | 0,22-0,83 |
| Оболочка из низкоуглеродистой стали | Остальное |
комплексная лигатура содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:
| Лантан | 15-40 |
| Празеодим | 1-10 |
| Церий | 15-20 |
| Неодим | 3-7 |
| Железо | Остальное |
сталь оболочки составляет 78-88,8% от общей массы проволоки и имеет следующий состав, мас.%:
| Углерод | 0,04-0,08 |
| Марганец | 0,15-0,30 |
| Кремний | 0,01-0,03 |
| Фосфор | 0,007-0,012 |
| Сера | 0,01-0,02 |
Двуокись титана, вводимая в порошкообразную шихту вместо рутилового концентрата, как в проволоке-прототипе, являясь синтетическим компонентом, не содержит природных углеводородов, влияющих на содержание диффузионно-подвижного водорода в наплавленном металле и, как следствие этого, на склонность к образованию холодных трещин. Кроме того, двуокись титана содержит меньше серы и фосфора, ухудшающих вязкостные свойства металла шва.
Снижение количества двуокиси титана менее указанного нижнего предела приведет к ухудшению сварочно-технологических свойств проволоки, а повышение ее количества выше верхнего предела - к снижению хладостойкости металла шва.
Введение никеля в шихту способствует увеличению жесткости матрицы и, как следствие этого, усилению поглощения энергии, что положительно влияет на хладостойкость металла шва. Повышение содержания никеля выше указанного верхнего предела приведет к значительному росту прочности шва и снижению его вязкопластичных свойств. Снижение содержания никеля менее указанного нижнего предела приведет к снижению ударной вязкости в области отрицательных температур.
Введение периклаза повышает основность шлака, улучшая его рафинирующую способность, увеличивает вязкость шлака. Снижение содержания периклаза менее указанного нижнего предела приведет к снижению ударной вязкости металла шва в области отрицательных температур, а повышение содержания этого компонента выше указанного верхнего предела - к снижению сварочно-технологических характеристик.
Комплексная лигатура обеспечивает модифицирование металла шва к увеличению хладостойкости и снижению склонности к водородному трещинообразованию. Входящие в состав комплексной лигатуры лантан, празеодим, церий и неодим, являясь редкоземельными элементами, обеспечивают микролегирование, способствуют измельчению зерна и увеличению работы удара. Повышение содержания комплексной лигатуры выше указанного верхнего предела приведет к значительному росту прочности шва и снижению его вязкопластичных свойств. Снижение содержания комплексной лигатуры менее указанного нижнего предела приведет к снижению ударной вязкости в области отрицательных температур.
Предлагаемую порошковую проволоку для механизированной сварки изготавливают по следующей технологии.
Подготовленные компоненты шихты (размолотые до размера гранул 0,1-0,3 мм и просушенные) взвешиваются дозами на один замес, помещаются в кюбель и транспортируются к смесителю. Смешивание компонентов производится любым способом, обеспечивающим достаточную однородность смешанной шихты. После смешивания шихта в кюбеле подается на линию для изготовления порошковой проволоки. В профилегибочной приставке происходит формирование из ленты и заполнение шихтой трубчатой металлической оболочки проволоки, после чего заготовка на волочильной машине обжимается до требуемого диаметра (1,2-1,6 мм). После волочения проволока прокаливается и наматывается на кассеты требуемого диаметра.
Было изготовлено три варианта составов, близких к составу предлагаемой порошковой проволоки, условно обозначенных I, II, III и приведенных в таблице 1. Там же приведен состав порошковой проволоки-прототипа, использованной для сравнения, условно обозначенный IV.
В таблице 2 приведены химические составы металла швов, сваренных с использованием приведенных в таблице 1 вариантов составов, а в таблице 3 - механические свойства металла швов указанных вариантов порошковой проволоки.
| Таблица 1 | ||||
| Ингредиенты | Содержание ингредиентов в проволоке, мас.% | |||
| Предлагаемый состав | IV (прототип) | |||
| I | II | III | ||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| Рутиловый концентрат | - | - | - | 6,35 |
| Двуокись титана | 4,21 | 5,765 | 7,32 | - |
| Полевой шпат | 0,5 | 1,0 | 1,5 | 1,0 |
| Электрокорунд | 0,21 | 0,46 | 0,71 | 0,45 |
| Натрий кремнефтористый | 0,2 | 0,35 | 0,5 | 0,35 |
| Ферросилиций | 0,35 | 0,5 | 0,65 | 0,5 |
| Ферромарганец | 1,20 | 2,15 | 3,10 | 2,45 |
| Никель | 0,7 | 1,05 | 1,4 | - |
| Периклаз | 0,2 | 0,3 | 0,4 | - |
| Железный порошок | 2,1 | 3,4 | 4,7 | 4,65 |
| Калийнатриевая силикат-глыба | - | - | - | 0,3 |
| Комплексная лигатура | 0,22 | 0,525 | 0,83 | 0,55 |
| Таблица 2 | |||||||
| Варианты порошковой проволоки | Содержание элементов в металле шва, % | ||||||
| С | Si | Mn | Ni | О | S | Р | |
| I | 0,05 | 0,22 | 0,91 | 0,95 | 0,06 | 0,016 | 0,007 |
| II | 0,06 | 0,26 | 1,05 | 1,08 | 0,04 | 0,012 | 0,009 |
| III | 0,08 | 0,32 | 1,25 | 1,15 | 0,03 | 0,012 | 0,009 |
| IV | 0,07 | 0,25 | 1,02 | - | 0,07 | 0,017 | 0,012 |
| Таблица 3 | |||||
| Варианты порошковой проволоки | σв, МПа | σ0,2, МПа | δ5, % | Работа удара, KV, Дж при температуре | |
| -20°С | -60°С | ||||
| I | |  |  |  |  |
| II |  |  |  |  |  |
| III |  |  |  |  |  |
| IV |  |  |  |  |  |
Оптимальные пределы содержания компонентов наполнителя порошковой проволоки заявленного состава, а также их соотношения определяли по результатам испытаний ударной работы разрушения металла сварных швов образцов при -20°С и -60°С и по определению химического состава наплавленного металла.
Как следует из таблицы 3, сварные швы, полученные при использовании порошковой проволоки, изготовленной согласно предлагаемому изобретению, обеспечивают работу удара металла шва не менее 51 Дж при температуре испытания -60°С и не менее 76 Дж при температуре -20°С (у прототипа 26 и 72 Дж соответственно).
Исходя из результатов испытаний по определению работы удара разрушения металла шва при -20°С и -60°С, а также на основании микроструктурного исследования металла шва был определен оптимальный состав предлагаемой порошковой проволоки, которым является состав II, содержание компонентов рудоминеральной и легирующей частей которого указано в таблице 1.
Таким образом, предлагаемая порошковая проволока для механизированной сварки низколегированных хладостойких сталей нормальной и повышенной прочности позволяет обеспечить благоприятное формирование металла шва при сварке и высокую хладостойкость сварного соединения при температурах до минус 60°С и расширяет ее технологические возможности по сравнению с прототипом.
Источники информации
1. Бишоков Р.В., Мельников П.В., Шарапов М.Г. «Порошковая проволока для полуавтоматической сварки хладостойких низколегированных сталей». - Вопросы материаловедения №1(18) - 1999 г., с.55-63.
2. Патент РФ №2166419, 7 В23К 35/368, 1999 г., БИ №13 - прототип.
Порошковая проволока для механизированной сварки хладостойких низколегированных сталей, состоящая из стальной оболочки и порошкообразной шихты, содержащей полевой шпат, электрокорунд, кремнефтористый натрий, ферросилиций, ферромарганец, железный порошок и комплексную лигатуру, отличающаяся тем, что порошкообразная шихта дополнительно содержит двуокись титана, периклаз и никель, а комплексная лигатура содержит лантан, празеодим, церий, неодим и железо при следующем соотношении компонентов проволоки, мас.%:
| Двуокись титана | 4,21-7,32 |
| Полевой шпат | 0,50-1,50 |
| Электрокорунд | 0,21-0,71 |
| Натрий кремнефтористый | 0,20-0,50 |
| Ферросилиций | 0,35-0,65 |
| Ферромарганец | 1,20-3,10 |
| Никель | 0,7-1,4 |
| Периклаз | 0,2-0,4 |
| Железный порошок | 2,1-4,7 |
| Комплексная лигатура | 0,22-0,83 |
| Сталь оболочки | Остальное |
при этом сталь оболочки составляет 78-88,8% от общей массы проволоки и имеет следующий состав, мас.%:
| Углерод | 0,04-0,08 |
| Марганец | 0,15-0,30 |
| Кремний | 0,01-0,03 |
| Фосфор | 0,07-0,012 |
| Сера | 0,01-0,02 |
а комплексная лигатура содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:
| Лантан | 15-40 |
| Празеодим | 1-10 |
| Церий | 15-20 |
| Неодим | 3-7 |
| Железо | Остальное |
