Сварочный материал
Владельцы патента RU 2429307:
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ, ОТ ИМЕНИ КОТОРОЙ ВЫСТУПАЕТ МИНИСТЕРСТВО ПРОМЫШЛЕННОСТИ И ТОРГОВЛИ РФ (МИНПРОМТОРГ РОССИИ) (RU)
Изобретение относится к области производства сварочных материалов, используемых в атомной энергетике, в частности, для сварки корпусов парогенераторов. Материал содержит в мас.%: углерод 0,03-0,05, кремний 0,2-0,3, марганец 1,0-1,5, хром 11,0-14,0, никель 1,3-1,5, молибден 0,8-1,0, ванадий 0,1-0,2, ниобий 0,04-0,08, титан 0,1-0,2, азот 0,010-0,015, кальций от более 0,01 до 0,05, железо и примеси остальное. В качестве примесей материал содержит в мас.%: мышьяк 0,005-0,010, сурьму 0,001-0,005, олово 0,001-0,005, серу 0,006-0,010 и фосфор 0,006-0,010. Суммарное содержание титана и ниобия не превышает 0,24, а суммарное содержание мышьяка, сурьмы и олова не превышает 0,02. Использование сварочного материала позволит получить наплавленный металл мартенситного или мартенситно-ферритного класса, обладающего высокой коррозионной стойкостью в пароводяной среде и высокой длительной прочностью при 550°С. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к области производства сварочных материалов, используемых в ядерной энергетике, в частности, для сварки корпусов парогенераторов перспективной установки БН-1200 из 12% хромистой стали типа 07Х12НМФБР.
Аналогом по химическому составу предлагаемого сварочного материала является сталь марки 07Х12НМФБР [1], содержащая (масс.%):
| Углерод | 0,05-0,08 |
| Кремний | не более 0,2 |
| Марганец | 0,3-0,8 |
| Хром | 11,5-13,0 |
| Никель | 0,8-1,3 |
| Молибден | 0,8-1,0 |
| Ниобий | 0,05-0,2 |
| Ванадий | 0,05-0,2 |
| Азот | не более 0,035 |
| Алюминий | не более 0,15 |
| Бор | по расчету 0,001-0,005 |
| Сера | не более 0,020 |
| Фосфор | не более 0,020 |
| Железо | остальное |
Однако данный материал не может быть применен в качестве сварочного материала в связи с тем, что:
- содержание хрома ниже 12% приводит к потере коррозионных свойств наплавленного металла в эксплуатационной пароводяной среде парогенератора;
- высокое содержание ниобия (0,1-0,2)% способствует образованию трещин при сварке и охрупчиванию металла шва в процессе термической обработки;
- пониженное содержание кремния (не более 0,2%) при пониженном содержании марганца (0,3-0,8%) может привести к образованию пор в процессе сварки за счет малой степени раскисления металла шва;
- введение бора (до 0,005% по расчету) может привести к образованию трещин при сварке, снижению пластичности и вязкости металла шва.
Ближайшим по составу к заявляемому является коррозионно-стойкий сварочный материал [2], принятый за прототип, содержащий (масс.%):
| Углерод + Азот | ≤0,3 |
| Кремний | ≤1,0 |
| Марганец | ≤2,5 |
| Хром | 10,5-21,5 |
| Никель | ≤8,0 |
| Молибден | ≤3,5 |
| Ванадий | ≤0,2 |
| Ниобий | ≤0,2 |
| Титан | ≤0,3 |
| Кальций | ≤0,01 |
| Железо и примеси | остальное. |
Химический состав указанной сварочной проволоки может меняться в очень широких пределах и обеспечивать получение наплавленного металла различного структурного класса (аустенитного, аустенитно-ферритного, мартенситного, мартенситно-ферритного, ферритного и т.п.), с различными служебными характеристиками наплавленного металла и обеспечение высоких прочностных и пластических характеристик, коррозионной стойкости и высокой длительной прочности наплавленного металла при температуре 550°С может быть и не обеспечено. Для достижения требуемых свойств наплавленного металла в пароводяной среде при температуре 550°С необходимо дать более строгую регламентацию содержания химических элементов для обеспечения получения в наплавленном металле мартенситной, мартенситно-ферритной структуры.
Техническим результатом изобретения является создание сварочного материала, обеспечивающего получение наплавленного металла мартенситного (мартенситно-ферритного) класса, обладающего сочетанием коррозионной стойкости в пароводяной среде и высокой длительной прочности при сохранении высокого уровня сопротивления хрупкому разрушению, в том числе в процессе эксплуатационного старения.
На основании выполненного анализа в качестве сварочного материала с высокой коррозионной и длительной прочностью наплавленного металла при температуре 550°С предлагается материал, в составе которого строго регламентированы основные химические элементы: хром (11-14)%, углерод (0,03-0,05)%, марганец (1,0-1,5)%, никель (1,3-1,5)%, ниобий (0,04-0,08)%, ванадий (0,1-0,2)% и кальций (0,01-0,05)%.
Технический результат достигается тем, что сварочный материал, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, титан, азот и железо, дополнительно содержит ванадий, ниобий, кальций, мышьяк, сурьму, олово, серу, фосфор при следующем соотношении компонентов (масс.%):
| Углерод | 0,03-0,05 |
| Кремний | 0,2-0,3 |
| Марганец | 1,0-1,5 |
| Хром | 11,0-14,0 |
| Никель | 1,3-1,5 |
| Молибден | 0,8-1,0 |
| Ванадий | 0,1-0,2 |
| Ниобий | 0,04-0,08 |
| Титан | 0,1-0,2 |
| Мышьяк | 0,005-0,010 |
| Сурьма | 0,001-0,005 |
| Олово | 0,001-0,005 |
| Сера | 0,006-0,010 |
| Фосфор | 0,006-0,010 |
| Азот | 0,010-0,015 |
| Кальций | от более 0,01 до 0,05 |
| Железо | остальное, |
при этом:
- суммарное содержание Ti и Nb не должно превышать 0,24;
- суммарное содержание As, Sb, Sn не должно превышать 0,02.
Ограничение содержание хрома в пределах (11-14)% в сочетании с Ni (1,3-1,5)% позволит получить мартенситную (мартенситно-ферритную) структуру наплавленного металла и обеспечит коррозионную стойкость наплавленного металла в пароводяной среде с учетом его выгорания в процессе сварки, а также стойкость к тепловому охрупчиванию при температуре 550°С.
Содержание углерода (0,03-0,05)%, марганца (1,0-1,5)% при содержании никеля (1,3-1,5)% обеспечит низкое содержание ферритной составляющей в мартенситной (мартенситно-ферритной) структуре (не более 18%) и соответственно повышение пластических и вязких свойств наплавленного металла.
Содержание ниобия в пределах (0,04-0,08)% и ванадия (0,1-0,2)% с содержанием титана до 0,2% при содержании углерода (0,03-0,05)% обеспечит высокую длительную прочность мартенситного (мартенситно-ферритного) наплавленного металла при температуре 550°С.
Суммарное ограничение содержания цветных примесей - мышьяка, сурьмы и олова до 0,02% позволяет повысить стойкость наплавленного металла против отпускной хрупкости в процессе изготовления парогенератора.
Регламентированное содержание азота (0,010-0,015)% способствует повышению сопротивления хрупкому разрушению металла наплавки за счет снижения содержания в нем неметаллических включений типа нитридов.
Ведение в сварочный материал кальция (>0,01-0,05)% способствует глобулизации карбидов, обеспечивая повышение сопротивления хрупкому разрушению металла шва.
В ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» произведена выплавка в 100-килограммовой открытой печи трех плавок стали для сварочной проволоки заявляемого состава. Выплавка стали производилась на чистых шихтовых материалах по содержанию серы, фосфора, цветных примесей. Разливку производили в слитки, которые затем проковывались на заготовки размером 16×16 мм с дальнейшим изготовлением катанки диаметром 8 мм и волочением ее на сварочную проволоку диаметром 3 мм.
Образцы для исследования изготавливали из технологических проб толщиной 20 мм со сварным швом, выполненным аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом с присадочной проволокой различных составов. С целью исключения влияния основного металла сварку выполняли через предварительную наплавку кромок толщиной не менее 10 мм, выполненную соответствующей сварочной проволокой. Технологические пробы подвергались термической обработке - высокому отпуску при температуре 720°С.
Для исследования механических свойств металла шва изготавливали следующие образцы:
- на статическое растяжение диаметром 6 мм и длиной рабочей части 30 мм (тип II по ГОСТ 6996);
- на ударный изгиб с острым надрезом 10×10×55 мм (тип IX по ГОСТ 6996);
- на длительную прочность диаметром 6 мм и длиной рабочей части 30 мм;
- на коррозионную стойкость - пластины 1,5×10×60 мм.
В качестве известного сварочного материала был выбран коррозионно-стойкий сварочный материал [2].
Испытание на растяжение проводились на установке УМД-10 на воздухе при скорости деформации 3·10-3 с-1 при температуре 550°С. Испытания на коррозионную стойкость проводились в автоклаве при температуре 550°С в течение 3000 ч. Испытания на длительную прочность проводились на воздухе в соответствии с требованиями ГОСТ 10145-81 при Т=550°С.
Химический состав заявляемого и известного сварочного материала приведен в таблице 1, механические свойства - в таблице 2.
Ожидаемый технико-экономический эффект, обусловленный обеспечением сочетания коррозионной стойкости и высокой длительной прочности металла шва сварных соединений из 12% хромистых сталей типа 07Х12НМФБР перспективных парогенераторов новой установки БН-1200, выразится в увеличении надежности, безопасной эксплуатации и срока службы сварных соединений.
| Таблица 2 | ||||||||||||
| Механические свойства наплавленного металла заявляемого и известного материала | ||||||||||||
| Условный номер партии | Механические свойства | Структура наплавленногометалла | ||||||||||
| σв | σ0,2 | δ | ψ | σв | σ0,2 | δ | ψ | Сопротивление хрупкому разрушению | Коррозионная стойкость | σдл.проч., МПа | ||
| МПа | % | МПа | % | При 550°С, 3×105 ч. | ||||||||
| +20°C | +550°C | |||||||||||
| 1 | 670 | 615 | 23 | 57 | 450 | 358 | 15 | 58 | Обеспечивается | Обеспечивается | Обеспечивает- ся (≥122) |
Мартенситная (Мартенситно-ферритная) |
| 2 | 690 | 640 | 23 | 58 | 452 | 360 | 14 | 56 | ||||
| 3 | 720 | 650 | 25 | 60 | 460 | 365 | 12 | 55 | ||||
| 4 | Обеспечивается | Обеспечивается | Не обеспечивается (≤122) | Аустенитный | ||||||||
| 5 | Не обеспечивается | Обеспечивается | Ферритный | |||||||||
| Примечание: 1. В таблице приведены средние значения 3-х образцов при испытании на статическое растяжение |
ЛИТЕРАТУРА
1. Паспорт на сталь марки 0712НМФБ.
2. JP 2003-071589 А, B23K 35/30, 11.03.2003, реферат, формула, описание [0028]-[0033].
1. Коррозионно-стойкий сварочный материал, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, титан, азот и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ванадий, ниобий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| углерод | 0,03-0,05 |
| кремний | 0,2-0,3 |
| марганец | 1,0-1,5 |
| хром | 11,0-14,0 |
| никель | 1,3-1,5 |
| молибден | 0,8-1,0 |
| ванадий | 0,1-0,2 |
| ниобий | 0,04-0,08 |
| титан | 0,1-0,2 |
| азот | 0,010-0,015 |
| кальций | от более 0,01 до 0,05 |
| железо и примеси | остальное, |
при этом суммарное содержание титана и ниобия не превышает 0,24.
2. Коррозионно-стойкий сварочный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве примесей он содержит мышьяк, сурьму, олово, серу и фосфор при следующем их содержании, мас.%:
| мышьяк | 0,005-0,010 |
| сурьма | 0,001-0,005 |
| олово | 0,001-0,005 |
| сера | 0,006-0,010 |
| фосфор | 0,006-0,010, |
при этом суммарное содержание мышьяка, сурьмы и олова не превышает 0,02.
