Среднелегированный электрод для сварки высокопрочных сталей
Владельцы патента RU 2349434:
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ "ПРОМЕТЕЙ" (ФГУП "ЦНИИ КМ "Прометей") (RU)
Электрод может быть использован для сварки с незначительной 50°С температурой предварительного подогрева высокопрочных сталей мартенситного и бейнитного класса. На стержень электрода из проволоки марки Св-03ХН3МД или Св-07ХН3МД нанесено покрытие, содержащее компоненты в следующем соотношении, мас.%: мрамор 37,0-52,0, плавиковый шпат 18,0-26,0, кварцевый песок 3,0-10,0, двуокись титана 3,0-12,0, ферросилиций 0,5-5,0, ферротитан 5,0-14,0, ферромарганец или марганец металлический 1,0-5,0, окислы РЗМ 0,1-1,0, окислы железа 0,2-3,0, алюминиевый порошок 0,2-4,0, жидкое стекло натриевое к массе сухой шихты 23,0-28,0. Отношение содержания окислов РЗМ к содержанию окислов железа должно быть не более 0,5. Электрод имеет высокие служебные и сварочно-технологические характеристики. 3 табл.
Изобретение относится к области производства сварочных материалов и может быть использовано в различных областях промышленности для сварки высокопрочных сталей с пределом текучести от 700 до 1000 МПа.
Известны электроды, используемые для указанной цели в соответствующих отраслях промышленности типа Н-1. Эти электроды не отвечают современным требованиям в части служебных характеристик таких, как прочность и ударная вязкость металла шва, кроме того, они склонны к образованию стартовых пор и обеспечивают в наплавленном металле повышенное содержание водорода.
Наиболее близким к заявочному электроду по назначению и составу компонентов и взятым в качестве прототипа является электрод марки Н-1 типа Э60 (Электроды для дуговой сварки сталей и никелевых сплавов, И.А.Закс, изд. СПб.: "WELCOME", 1996 г., стр.336, 337), состоящий из стержня-проволоки марки Св-08ХН2М и электродного покрытия, содержащего, мас.%:
| Мрамор | 54,0 |
| Плавиковый шпат | 18,0 |
| Кварцевый песок | 9,0 |
| Ферромарганец (марганец металлический) | 2,0 |
| Ферротитан | 14,0 |
| Ферросилиций | 3,0 |
| Жидкое стекло натриевое к массе сухой шихты | 28,0-30,0 |
Основными недостатками этих электродов является пониженная ударная вязкость металла шва при отрицательных температурах до минус 40°С, низкий уровень прочностных характеристик, высокое содержание диффузионного водорода в наплавленном металле, в связи с чем необходим предварительный подогрев кромок не менее 100°С, кроме того, электроды склонны к образованию стартовых пор.
Техническим результатом изобретения является создание электрода для сварки высокопрочных сталей, работающих при температурах до минус 40°С, обеспечивающего высокую прочность и ударную вязкость металла шва, низкое содержание диффузионного водорода и склонность к пористости.
Технический результат достигается тем, что электрод, состоящий из стержня-проволоки марки Св-03ХН3МД, Св-07ХН3МД и электродного покрытия, содержащего мрамор, плавиковый шпат, кварцевый песок, ферросилиций, марганец металлический, ферротитан и жидкое стекло натриевое, согласно изобретению дополнительно содержащего двуокись титана, алюминиевый порошок и совместную композицию окислов РЗМ и железа при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Мрамор | 37,0-52,0 |
| Плавиковый шпат | 18,0-26,0 |
| Кварцевый песок | 3,0-10,0 |
| Двуокись титана | 3,0-12,0 |
| Ферросилиций | 0,5-5,0 |
| Ферротитан | 5,0-14,0 |
| Ферромарганец (марганец металлический) | 1,0-5,0 |
| Окислы РЗМ | 0,1-1,0 |
| Окислы железа | 0,2-3,0 |
| Алюминиевый порошок | 0,2-4,0 |
| Жидкое стекло натриевое к массе сухой шихты | 23,0-28,0 |
при этом отношение содержания окислов РЗМ к содержанию окислов железа должно быть не более 0,5.
Повышение сварочно-технологических характеристик электродов и снижение склонности металла шва к пористости объясняется введением в покрытие окислов РЗМ и железа и двуокиси титана, которые совместно с композицией мрамор - плавиковый шпат - кварцевый песок позволяют получать благоприятное формирование металла шва, самопроизвольную отделимость шлаковой корки и низкое содержание диффузионного водорода.
Введение в покрытие окислов РЗМ и железа приводит к уменьшению содержания диффузионного водорода в наплавленном металле и склонности к пористости. Увеличение содержания окислов РЗМ и железа в покрытии (более 4%) затрудняет производство сварки в положениях, отличных от нижнего и приводит к окислению легирующих элементов, при этом превышение отношения содержания окислов РЗМ к железу более 0,5 приводит к увеличению неметаллических включений и снижению вязкости металла шва.
Введение в покрытие двуокиси титана в количестве 3-12% и алюминиевого порошка от 0,2 до 4% позволяет получить, наряду с хорошими сварочно-технологическими свойствами и высокой стойкостью металла шва к порообразованию, гарантированное содержание 0,015-0,02% титана в металле шва, что способствует повышению ударной вязкости при отрицательных температурах. Увеличение содержания в покрытии двуокиси титана более 12% и алюминиевого порошка более 4% приводит к повышению содержания в металле шва титана и как следствие снижению механических характеристик металла шва. Совместное влияние компонентов покрытия позволяет получать металл шва с минимальным количеством дефектов и мелкозернистой бейнитно-мартенситной структурой, что позволяет обеспечить высокую ударную вязкость при температурах до минус 40°С.
Был проведен комплекс лабораторных и опытно-промышленных работ по изготовлению, испытанию и практическому опробованию электродов для сварки высокопрочных сталей. Были выполнены слитки стали марки Св-03ХН3МД или Св-07ХН3МД с химическим составом приведенным в таблице 1, из которых путем ковки с последующей прокаткой и волочением получены металлические стержни ⊘ 4 мм.
Электроды были изготовлены в опытном производстве на установке для производства покрытых электродов швейцарской фирмы «Эрликон».
Опытные образцы электродов испытывались на высокопрочных сталях с пределом текучести более 800 МПа. Сварку производили на постоянном токе обратной полярности без предварительного подогрева. Режимы сварки были следующими: Iсв.=150-170А, Uд=22-24В, положение шва нижнее. Температура предварительного подогрева 50°С. Визуальный осмотр и радиографический контроль металла шва показал отсутствие недопустимых дефектов: трещин, непроваров, прожогов, крупных неметаллических включений.
Из металла сварных швов, полученного электродами предлагаемого и известного составов, изготовлены и испытаны образцы для определения химического состава и механических свойств.
Химический состав покрытий предлагаемого и известного сварочного электрода представлен в таблице 2. Данные сравнительных испытаний механических свойств металла шва представлены в таблице 3.
| Таблица 1 | |||||||||
| Химический состав стали марки Св-03ХН3МД и Св-07ХН3МД | |||||||||
| Марка проволоки | с | Si | Mn | Cr | Ni | Mo | Cu | S | Р |
| не более | |||||||||
| Св-07ХН3МД | 0,04-0,09 | Н.б. 0.2 | 0,3-0,6 | 0,85-1,10 | 2,8-3,2 | 0,5-0,65 | 0,8-1,15 | 0,012 | 0,015 |
| Св-03ХН3МД | Н.б. 0,05 | Н.б. 0,2 | 0,5-0,8 | 0,6-0,8 | 2,3-2,9 | 0,4-0,6 | 0,8-1,0 | 0,012 | 0,015 |
| Таблица 2 | |||||||||||||
| Химический состав покрытий известного и заявленного электродов | |||||||||||||
| Состав | № состава | Состав покрытия, масс.% | |||||||||||
| Плавиковый шпат | Кварцевый песок | Двуокись титана | Ферротитан | Ферросилиций | Ферромарганец (марганец мет) | Мрамор | Окислы РЗМ | Окислы железа | Отношение окислов РЗМ к окислам железа | Алюминиевый порошок | Жидкое стекло к массе сух. шихты | ||
| Заявляемый | 1 | 18 | 10 | 12 | 5 | 5 | 5 | 37 | 1,0 | 3,0 | 0,33 | 4 | 23 |
| 2 | 21 | 6 | 7 | 9 | 3 | 3 | 47 | 0,5 | 1,5 | 0,33 | 2 | 25 | |
| 3 | 26 | 3 | 3 | 14 | 0,5 | 1 | 52 | 0,1 | 0,2 | 0,50 | 0,2 | 28 | |
| Изв. | 4 | 18 | 9 | 14 | 3 | 2 | 54 | 28-30 |
| Таблица 3 | |||||||||
| Результаты сравнительных испытаний известных и заявляемых электродов | |||||||||
| Состав | № | Механические характеристики металла шва | Кол-во пор (св. тавр. пробы) | Водород в см3 на 100 г.н.м | |||||
| σ02, МПа | σв, МПа | δ, % | Работа удара KV, Дж | ||||||
| Т=0°С | Т=-20°С | Т=-40°С | |||||||
| Заявляемый | 1 | 819 | 854 | 18 | 102 | 53 | 38 | 0 | 0,8 |
| 2 | 810 | 848 | 17 | 93 | 64 | 45 | 0 | 0,6 | |
| 3 | 835 | 883 | 17 | 82 | 68 | 43 | 0 | 0,3 | |
| Изв. | 4 | 530 | 660 | 17 | 80 | 45 | 35 | 8 | 1,8 |
| Примечание: | |||||||||
| 1. Данные усреднены по результатам испытаний трех образцов на одну точку. |
Результаты сравнительных испытаний показывают, что заявленный состав по сравнению с известным позволяет получить более высокие прочностные характеристики металла шва. Кроме того, заявленный электрод обеспечивает более низкое содержание водорода и отсутствие пор в металле шва и позволяет снизить температуру предварительного подогрева кромок.
Технико-экономический эффект от использования изобретения выразится в повышении надежности и долговечности конструкций, за счет повышения прочности металла шва и снижения пористости.
Электрод для сварки высокопрочных сталей, включающий стержень из проволоки марки Св-03ХНЗМД или Св-07ХН3МД и электродное покрытие, содержащее мрамор, плавиковый шпат, кварцевый песок, ферросилиций, ферромарганец или марганец металлический, ферротитан и жидкое стекло натриевое, отличающийся тем, что электродное покрытие дополнительно содержит двуокись титана, алюминиевый порошок, окислы РЗМ и окислы железа при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Мрамор | 37,0-52,0 |
| Плавиковый шпат | 18,0-26,0 |
| Кварцевый песок | 3,0-10,0 |
| Двуокись титана | 3,0-12,0 |
| Ферросилиций | 0,5-5,0 |
| Ферротитан | 5,0-14,0 |
| Ферромарганец или марганец металлический | 1,0-5,0 |
| Окислы РЗМ | 0,1-1,0 |
| Окислы железа | 0,2-3,0 |
| Алюминиевый порошок | 0,2-4,0 |
| Жидкое стекло натриевое к массе сухой шихты | 23,0-28,0, |
при этом отношение содержания окислов РЗМ к содержанию окислов
железа составляет не более 0,5.
