Состав сварочной проволоки для сварки коррозионно-стойких сталей и жаропрочных сплавов на никелевой основе

Изобретение относится к сложнолегированным жаропрочным сплавам на никелевой основе для сварки коррозионно-стойких аустенитных сталей и жаропрочных сплавов на никелевой основе. Состав сварочной проволоки содержит компоненты, мас.%: углерод 0,005-0,03, кремний 0,10-0,30, марганец 1,8-6,5, хром 18,0-22,0, ниобий 2,0-3,5, молибден 3,0-6,0, вольфрам 0,8-3,0, кальций 0,001-0,1, магний 0,001-0,1, иттрий 0,005-0,1, церий 0,005-0,1, никель и примеси - остальное. Суммарное содержание кальция, иттрия, церия и магния должно быть меньше или равно 0,15. Суммарное содержание марганца, молибдена и вольфрама должно быть в пределах 7,5-13,0. Отношение содержания ниобия к содержанию углерода больше или равно 100. Снижается склонность металла шва к тепловому охрупчиванию, образованию горячих трещин при длительной эксплуатации в интервале температур 550-750°С и к межкристаллитной коррозии. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к металлургии сложнолегированных жаропрочных сплавов на никелевой основе, содержащих в качестве основных легирующих элементов хром, марганец, молибден, вольфрам, ниобий и используемых в энергетике, машиностроении и в других отраслях промышленности для сварки коррозионно-стойких аустенитных сталей и жаропрочных сплавов на никелевой основе, работающих соответственно в морской воде, воде и паре высоких параметров при температуре до 350°С, а также в среде газовых теплоносителей с низким окислительным потенциалом при температурах 500-950°С.

Известен состав сварочной проволоки на никелевой основе 06Х15Н60М15, содержащий в мас.% С≤0,08; Si≤0,50; Mn 1,0-2,0; Cr 14,0-16,0; Мо 14,0-16,0; Fe≤4,0; S≤0,015; Р≤0,015; Ni - основа. (ГОСТ 2246-70, «Проволока стальная сварочная», стр.11, табл.2). Недостатком этого сплава является склонность к межкристаллитной коррозии и коррозионному растрескиванию металла шва при повышенных рабочих температурах. Кроме того, для этого сплава необходимо проведение термической обработки сварного соединения для обеспечения требуемого уровня длительной прочности за счет выделения δ-фазы.

Наиболее близким по технической сущности и составу компонентов является состав сварочной проволоки, содержащий:

Углерод	0,005-0,03
Кремний	0,10-0,30
Марганец	2,5-6,5
Хром	18,0-22,0
Ниобий	1,0-5,0
Молибден	0,5-5,0
Вольфрам	0,5-5,0
Магний	0,001-0,1
Иттрий	0,005-0,1
Церий	0,005-0,1
Никель и примеси	Остальное,

при этом содержание примесей следующее: железо 0,2-0,5 мас.%.

(SU №780374 А1, В23К 35/30, публ. 07.04.1990 г.).

Металл шва, выполненный известным составом сварочной проволоки, обладает высокими прочностными свойствами и стойкостью к коррозионному растрескиванию в морской воде и воде высоких параметров. Однако он имеет повышенную склонность к образованию горячих трещин, тепловому охрупчиванию при длительной эксплуатации в интервале температур 550-750°С и межкристаллитной коррозии.

Техническим результатом изобретения является снижение склонности металла шва к тепловому охрупчиванию, образованию горячих трещин при длительной эксплуатации в интервале температур 550-750°С и к межкристаллитной коррозии.

Технический результат достигается за счет того, что в сварочную проволоку, содержащую углерод, кремний, марганец, хром, молибден, вольфрам, ниобий, магний, иттрий и никель, согласно изобретению он дополнительно содержит кальций и церий при следующем соотношении компонентов в мас.%:

Углерод	0.005-0,03
Кремний	0,10-0,30
Марганец	1,8-6,5
Хром	18,0-22,0
Ниобий	2,0-3,5
Молибден	3,0-6,0
Вольфрам	0,8-3,0
Кальций	0,001-0,1
Магний	0,001-0,1
Иттрий	0,005-0,1
Церий	0,005-0,1
Никель и примеси	Остальное,

при этом:

суммарное содержание кальция, иттрия, церия и магния должно быть меньше или равно 0,15 (Са+I+Ce+Mg)≤0,15,

суммарное содержание марганца, молибдена и вольфрама должно быть в пределах 7,5-13,0 (Mn+Mo+W)=7,5-13,0,

отношение содержания ниобия к содержанию углерода должно быть больше или равно 100 (Nb/C≥100),

а содержание примесных элементов железа, алюминия, серы и фосфора не должно превышать следующих значений, мас.%:

Железо ≤ 1,0,	Сера ≤ 0,0018
Алюминий ≤ 0,1,	Фосфор ≤ 0,0018

Введение вольфрама в пределах 0,8-3,0 мас.% способствует повышению прочности, в том числе длительной прочности металла сварного шва за счет образования труднорастворимых карбидов при рабочей температуре 550-750°С. При более высоком содержании вольфрама наблюдается охрупчивание металла сварного шва.

Введение кальция, иттрия, церия и магния способствует повышению пластичности металла шва в горячем состоянии и снижает склонность металла шва к образованию горячих трещин. Однако суммарное содержание этих элементов должно быть меньше или равно 0,15 мас.%. При более высоком их содержании наблюдается образование в металле шва эвтектик этих элементов, что приводит к его охрупчиванию.

Суммарное содержание марганца, молибдена и вольфрама должно быть в пределах 7,5-13,0 мас.%.

При содержании эти элементов менее чем 7,5 мас.% наблюдается образование горячих трещин вследствие увеличения температурного интервала хрупкости и образования легкоплавких вторичных эвтектических фаз.

При содержании этих элементов более чем 13,0 мас.% наблюдается снижение пластических свойств металла шва вследствие выделения карбидных и интерметаллидных фаз при длительной эксплуатации при повышенных температурах.

Содержание железа более чем 1,0 мас.% приводит к охрупчиванию металла шва при длительной эксплуатации при высоких температурах в связи с образованием фаз Лавеса.

Содержание алюминия более чем 0,1 мас.% приводит к снижению технологической прочности.

Отношение содержания ниобия к содержанию углерода должно быть больше или равно 100, так как при меньшем соотношении наблюдается склонность металла шва к межкристаллитной коррозии после отпуска при температуре эксплуатации 550-750°С в воде и паре высоких параметров.

Пример конкретного выполнения

Авторами предлагаемого изобретения были выплавлены в открытой индукционной печи три 100-килограммовые слитка заявляемой и один слиток известного состава сварочной проволоки. Выплавленные слитки были прокованы на прутки диаметром 16 мм, из которых была изготовлена сварочная проволока. Сварочная проволока заявляемого и известного составов была подвергнута аустенизации при температуре 950°С в течение 1,5 час с последующим охлаждением на воздухе, а затем ею была проведена сварка в Х-образную разделку стали марки ХН65МВУ ГОСТ 5632-72. Из сварного шва были изготовлены образцы для испытания на статическое растяжение, а также на склонность к тепловому охрупчиванию и образованию горячих трещин. Испытания на статическое растяжение образцов проводились при комнатной и повышенной до 750°С температурах по стандартной методике.

Испытания ни тепловое охрупчивание проводились путем испытания металла шва на ударный изгиб образцов, изготовленных по ГОСТ 6996-66.

Испытания на склонность к образованию горячих трещин проводились по методике МВТУ им. Н.Э.Баумана путем определения максимальной скорости растяжения, не приводящей к растрескиванию кристаллизующегося металла сварочной ванны (А_кр мм/мин).

Испытания на склонность к межкристаллитной коррозии (МКК) проводили по ГОСТ 6032-2003, методом АМУ, после старения металла шва при температурах 350-750°С в течение 1-1000 час.

Химический состав сварочной проволоки предлагаемого и известного составов приведен в таблице №1, свойства металла сварного шва - в таблице №2.

Технико-экономическая эффективность от использования данного изобретения по сравнению с известным выразится в повышении надежности

Таблица №1
Химический состав заявляемой и известной сварочной проволоки
Состав сварочной проволоки	Условный № состава	Содержание компонентов, мас.%
С	Si	Mn	Cr	Nb	Мо	W	Mg
Предлагаемый	1	0,005	0,10	1,8	18,0	2.0	6,0	0,8	0,001
	2	0,018	0,15	4,3	20,0	3,0	5,4	2,3	0,03
	3	0,01	0,20	5,2	21,0	2,8	4,2	2,6	0,10
4	0,03	0,30	6,5	22,0	3,5	3,0	3,0	0,01
Известный	5	0,03	0,4	0,4	20	3,3	9,5	-	-
Продолжение таблицы №1
Содержание компонентов, мас.%
I	Се	Са	Fe	Al	Ni	S	P	Ca+I+Ce+Mg	Mn+Mo+W	Nb/C
0,10	0,01	0,03	0,59	0,064	69,0	0,0012	0,0014	0,141	8,0	400
0,01	0,005	0,10	0,87	0,057	63,76	0,0014	0,0011	0,145	12,0	167
0,005	0,040	0,001	0,65	0,064	63,13	0,0016	0,0015	0,146	12,0	280
0,03	0,10	0,008	0,91	0,062	62,05	0,0015	0,0017	0,148	12,5	117
-	-	-	3,0	-	64,0	-	-	-	-	-
Таблица №2
Свойства предлагаемого и известного составов сварочной проволоки.
Состав сварочной проволоки	Условный № состава	Температура испытаний	Сопротивление трещинам	МКК
		20°С			750°С
		σ0,2, МПа	ψ5, %		Kcv, Дж/см2	σ0,2, МПа	ψ5, %	Kcv, Дж/см2
Акр, мм/мин	Трещины
Предлагаемый	1	460	50,0	170	320	40,0	100	2,0	Нет	Нет
	2	440	48,0	170	330	40,0	100	1,9	Нет	Нет
	3	450	47,0	165	320	41,0	105	1,7	Нет	Нет
4	425	48,0	170	300	42,0	108	1,5	Нет	Нет
Известный	5	380	45,0	ПО	290	36,0	85	0,7	Есть	Есть
Примечание:
1. В таблице приведены усредненные данные по результатам испытаний трех образцов на точку.
2. Механические свойства определяли после старения металла шва при 750°С и выдержке 10000 час.

1. Состав сварочной проволоки для сварки коррозионно-стойких сталей и жаропрочных сплавов на никелевой основе, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, молибден, вольфрам, ниобий, магний, иттрий и никель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кальций и церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,005-0,03
Кремний	0,10-0,30
Марганец	1,8-6,5
Хром	18,0-22,0
Ниобий	2,0-3,5
Молибден	3,0-6,0
Вольфрам	0,8-3,0
Кальций	0,001-0,1
Магний	0,001-0,1
Иттрий	0,005-0,1
Церий	0,005-0,1
Никель и примеси	Остальное

при этом суммарное содержание кальция, иттрия, церия и магния должно быть меньше или равно 0,15, (Ca+Y+Ce+Mg)≤0,15, суммарное содержание марганца, молибдена и вольфрама должно быть в пределах 7,5-13,0, (Mn+Mo+W)=7,5-13,0, отношение содержания ниобия к содержанию углерода больше или равно 100, (Nb/C≥100).

2. Состав сварочной проволоки по п.1, отличающийся тем, что содержание примесных элементов железа, алюминия, серы и фосфора не должно превышать следующих значений, мас.%:

Железо	≤ 1,0
Алюминий	≤ 0,1
Сера	≤ 0,0018
Фосфор	≤ 0,0018