Состав порошковой проволоки
Изобретение относится к материалам для электродуговой сварки и может быть использовано в порошковых проволоках для сварки высокомарганцевых аустенитных и перлитных сталей, в частности для многопроходной сварки. Предложенный состав проволоки, состоящий из стальной оболочки и порошковой шихты, содержащей рутиловый концентрат, марганец, никель, хром, мрамор и фторсодержащий компонент, согласно изобретению дополнительно содержит ферросиликоцирконий и ферротитан, а в качестве фторсодержащего компонента - криолит, при следующем соотношении компонентов, вес.%: рутиловый концентрат - 5-8; марганец - 6-14; никель - 6-9; хром - 11,5-18; мрамор - 1-2; ферросиликоцирконий - 1-6; ферротитан - 1-2; криолит - 0,5-0,8; стальная оболочка - остальное. Обеспечивается повышение сварочно-технологических свойств проволоки и повышение производительности сварки. 2 табл.
Изобретение относится к сварке, а именно к материалам для электродуговой сварки, и может быть использовано в порошковых проволоках для сварки высокомарганцевых аустенитных сталей, а также для сварки перлитных и высокомарганцевых аустенитных сталей, в частности для многопроходной сварки.
Известен состав порошковой проволоки, состоящий из стальной оболочки и порошковой шихты, при этом шихта содержит рутиловый концентрат, плавиковый шпат, марганец, никель, хром, гематит и магнезит при следующем соотношении компонентов, вес.%:
| Рутиловый концентрат | 6-10 |
| Плавиковый шпат | 1,5-3,5 |
| Марганец | 43-47 |
| Никель | 16-20 |
| Хром | 20-24 |
| Гематит | 0,5-1,25 |
| Магнезит | 2-4 |
При этом стальная оболочка выполнена из ленты 08 КП, коэффициент заполнения проволоки 43% (см. авторское свидетельство СССР №923787, 3 МКИ В 23 К 35/36 "Шихта порошковой проволоки", опубликованное 30.04.82 г.).
С учетом коэффициента заполнения стальной оболочки данной шихтой известный состав порошковой проволоки содержит вышеперечисленные компоненты при следующем их соотношении, вес.%:
| Рутиловый концентрат | 2,6-4,3 |
| Плавиковый шпат | 0,6-1,5 |
| Марганец | 18,5-20,2 |
| Никель | 6,9-8,6 |
| Хром | 8,6-10,3 |
| Гематит | 0,2-0,5 |
| Магнезит | 0,8-1,7 |
| Стальная оболочка | остальное |
Введение в известный состав порошковой проволоки гематита способствует снижению чувствительности наплавленного металла к водородной пористости, однако, гематит вносит дополнительно серу и фосфор до 0,06% каждого, а также до 0,1% кислорода, что отрицательно влияет на пластичность металла шва многопроходных швов, особенно при низких температурах, а также способствует потере марганца и углерода в наплавленном металле за счет их окисления.
Кроме того, известный состав порошковой проволоки не обеспечивает хорошую отделимость шлаковой корки, что увеличивает трудоемкость зачистки швов и приводит при многопроходной сварке к образованию шлаковых включений в корне шва и, как следствие, к уменьшению прочности сварного соединения.
Наиболее близкой по технической сущности является состав порошковой проволоки, состоящий из стальной оболочки и порошковой шихты, при этом шихта содержит рутил, марганец, никель, хром, мрамор и плавиковый шпат при следующем соотношении компонентов, вес.%:
| Рутил | 6-10 |
| Марганец | 41-45 |
| Никель | 16-20 |
| Хром | 22-30 |
| Мрамор | 1,5-3,5 |
| Плавиковый шпат | 1,5-3,5 |
При этом стальная оболочка выполнена из ленты 08 КП, коэффициент заполнения проволоки 43% (см. авторское свидетельство СССР №527277, МКИ В 23 К 35/36 "Шихта порошковой проволоки", опубликованное 05.09.1976 г.).
С учетом коэффициента заполнения стальной оболочки данной шихтой известный состав порошковой проволоки содержит вышеперечисленные компоненты при следующем их соотношении, вес.%:
| Рутил | 2,6-4,3 |
| Марганец | 17,6-19,4 |
| Никель | 6,9-8,6 |
| Хром | 9,5-12,9 |
| Мрамор | 0,6-1,5 |
| Плавиковый шпат | 0,6-1,5 |
| Стальная оболочка | остальное |
При сварке порошковой проволокой известного состава сварной шов обладает повышенной склонностью к пористости, особенно при многопроходной сварке на повышенных режимах. Кроме того, недостаточная межфазовая активность шлака приводит к ухудшению смачивания жидким металлом основного или наплавленного металла, что ухудшает отделимость шлаковой корки, приводит к образованию шлаковых включений в корне шва и, как следствие, значительно повышает трудоемкость зачистки сварных швов, особенно при многопроходной сварке.
Технический результат изобретения предусматривает повышение сварочно-технологических свойств порошковой проволоки путем снижения чувствительности металла шва к пористости и повышение производительности путем снижения трудоемкости зачистки сварных швов за счет улучшения отделимости шлаковой корки при многопроходной сварке.
Указанный технический результат достигается тем, что состав порошковой проволоки, состоящий из стальной оболочки и порошковой шихты, содержащей рутиловый концентрат, марганец, никель, хром, мрамор и фторсодержащий компонент, согласно изобретению дополнительно содержит ферросиликоцирконий и ферротитан, а в качестве фторсодержащего компонента - криолит при следующем соотношении компонентов, вес.%:
| Рутиловый концентрат | 5-8 |
| Марганец | 6-14 |
| Никель | 6-9 |
| Хром | 11,5-18 |
| Мрамор | 1-2 |
| Ферросиликоцирконий | 1-6 |
| Ферротитан | 1-2 |
| Криолит | 0,5-0,8 |
| Стальная оболочка | остальное |
Выбранное соотношение марганца, никеля и хрома позволяет обеспечить требуемое легирование металла шва с получением чисто аустенитной структуры с высокими показателями пластических свойств и технологической прочности.
Содержание марганца 6-14% является оптимальным для любого соотношения компонентов шихты в указанных пределах. Повышение содержания его более 14% может вызвать снижение стойкости против кристаллизационных трещины, а содержание ниже 6% снижает ударную вязкость и пластичность вследствие наличия зон, обогащенных продуктами превращений типа -
При содержании хрома менее 11,5% сварной шов охрупчивается из-за повышения количества мартенситной составляющей, а повышение хрома более 18% приводит к повышению вероятности образования прослоек α-феррита и опасности высокотемпературного охрупчивания, характерного для многопроходных швов разнородных сварных соединений.
Ферросиликоцирконий в составе порошковой проволоки способствует измельчению зерна, так как цирконий создает центры искусственной кристаллизации, обеспечивая получение мелкозернистой структуры и химической макрооднородности кристаллизующейся сварочной ванны, что повышает плотность металла и способствует повышению стойкости шва против образования горячих сульфидных трещин.
Кроме того, ферросиликоцирконий улучшает межфазовую активность шлака, способствуя улучшению смачивания жидким металлом основного металла, предотвращая образование шлаковых включений в корне шва.
Активное восстановление цирконием легирующих элементов из окислов, прежде всего марганца, приводит к насыщению шлакового расплава окислами циркония. Образующиеся окислы циркония уменьшают в области высоких температур адгезионное сцепление шлака и наплавленного металла, что приводит к хорошей отделимости шлаковой корки.
Кроме того, при концентрации циркония в металле шва от 0,3 до 1,03%, что соответствует содержанию в составе порошковой проволоки 1-6% ферросиликоциркония, он активно способствует транспортировке серы и фосфора в шлак в виде оксидных комплексов. Это, в свою очередь, снижает вероятность образования трещин различного генезиса.
Эффект присутствия циркония наблюдается с введения в состав порошковой проволоки 1% ферросиликоциркония, при этом верхняя граница содержания ферросиликоциркония составляет 6%. Дальнейшее повышение концентрации этого компонента нецелесообразно по причине образования в сварном шве неметаллических включений оксидного типа.
Введение в состав порошковой проволоки ферросиликоциркония в указанных выше пределах позволяет избавиться от пор, вызванных азотом. Цирконий, а также и титан, связывая азот еще в жидком металле в стойкие нитриды, снижают его скрытое парциальное давление в металле сварочной ванны, предупреждая, таким образом, зарождение газовых пузырьков.
Введение в состав порошковой проволоки криолита в количестве 0,5-0,8% предотвращает появление "водородных" пор. Образующийся при термическом разложении криолита фтор реагирует в расплавленном металле с водородом с образованием соединения HF, которое легко удаляется из сварочной ванны. Натрий, входящий в состав криолита, способствует стабилизации процесса горения дуги. Алюминий, также присутствующий в криолите, выступает как надежный раскислитель.
Ферротитан в количестве 1-2% обеспечивает раскисление металла шва, связывая кислород в устойчивые окислы TiO2, и переводит их в шлак, предотвращая окисление марганца, никеля и хрома. Кроме того, титан является модификатором, способствующим измельчению зерна и повышению стойкости шва против образования трещин.
Мрамор, введенный в состав порошковой проволоки в количестве 1-2%, и рутиловый концентрат в количестве 5-8%, являясь основными шлакообразующими компонентами, обеспечивают хорошую газовую защиту сварного шва, кроющую способность шлака и придают порошковой проволоке высокие сварочно-технологические свойства.
Таким образом, предлагаемый состав порошковой проволоки обеспечивает при многопроходной сварке достаточную раскисленность и легирование металла шва, сочетание защитных свойств порошковой проволоки с высокими сварочно-технологическими показателями, а именно стойкостью против пор и трещин, высокой рафинирующей способностью шлака и хорошей отделимостью шлаковой корки.
Коэффициент заполнения порошковой проволоки, исходя из обеспечения равномерности плавления сердечника и оболочки порошковой проволоки, при заданной совокупности компонентов, входящих в состав порошковой проволоки, составляет 43%.
Технических решений, совпадающих с совокупностью существенных признаков изобретения, не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения условию патентоспособности "новизна".
Заявляемые существенные признаки изобретения, предопределяющие получение указанного технического результата и их соотношение, явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения условию патентоспособности "изобретательский уровень".
Условие патентоспособности "промышленная применимость" подтверждено на примере конкретного выполнения состава порошковой проволоки и опытных образцов.
Для оценки чувствительности металла шва к пористости и определения качества отделения шлаковой корки изготовляют порошковую проволоку диаметром 3 мм с применением стальной ленты 08 кп. размером 0,3×15 мм. Изготовление предлагаемой проволоки осуществляют на стандартном оборудовании по общепринятой на заводах-изготовителях схеме. Коэффициент заполнения проволоки составляет 43%. Состав компонентов порошковой проволоки приведен в таблице 1.
| Таблица 1 | |||
| Компоненты | Содержание в составе порошковой проволоки, вес.% | ||
| 1 | 2 | 3 | |
| Рутиловый концентрат | 5 | 8 | 6,7 |
| Марганец | 6 | 14 | 8 |
| Никель | 9 | 6 | 6 |
| Хром | 18 | 11,5 | 11.5 |
| Мрамор | 1 | 1 | 2 |
| Ферросиликоцирконий | 2,5 | 1 | 6 |
| Ферротитан | 1 | 1 | 2 |
| Криолит | 0,5 | 0,5 | 0,8 |
| Металлическая оболочка | Остальное | Остальное | Остальное |
Порошковую проволоку перед сваркой прокаливают при температуре 190-230°С в течении 5 часов.
Сваривают пластины 400×100×12 мм с V-образной разделкой кромок по ГОСТ 8713-70 в три прохода из стали 110Г13Л по ГОСТ 2176-77. Исследования проводят в диапазоне режимов: сварочный ток - 280-300 А, напряжение на дуге - 26-40 В, скорость сварки - 16 м/ч.
Отделимость шлаковой корки определяют путем приложения ударной нагрузки со стороны корня шва сваренной пластины и отнесения площади отделившегося шлака к работе удара. Температура сварного шва при определении отделимости шлаковой корки составляет 450°С.
Определяют также диапазон напряжения на дуге, в котором получают сварной шов без пор. Усредненные результаты испытаний сведены в таблицу 2.
| Таблица 2 | ||
| Состав порошковой проволоки | Верхний предел напряжения, при котором сварной шов получен без пор, В | Отделимость шлаковой корки, см2/кг м |
| 1 | 36 | 15,2 |
| 2 | 40 | 20,0 |
| 3 | 38 | 16,4 |
| Прототип | 32 | 10,8 |
Как видно из таблицы 2, заявляемый состав порошковой проволоки позволяет получить сварной шов с высокими технологическими свойствами при сварке на более высоких режимах по сравнению с известными составами, при этом значительно улучшается отделимость шлаковой корки.
Состав порошковой проволоки, состоящий из стальной оболочки и порошковой шихты, содержащей рутиловый концентрат, марганец, никель, хром, мрамор и фторсодержащий компонент, отличающийся тем, что состав дополнительно содержит ферросиликоцирконий и ферротитан, а в качестве фторсодержащего компонента - криолит при следующем соотношении компонентов, вес.%:
| Рутиловый концентрат | 5-8 |
| Марганец | 6-14 |
| Никель | 6-9 |
| Хром | 11,5-18 |
| Мрамор | 1-2 |
| Ферросиликоцирконий | 1-6 |
| Ферротитан | 1-2 |
| Криолит | 0,5-0,8 |
| Стальная оболочка | Остальное |
