Сварочный материал для сварки хладостойких низколегированных сталей

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству сварочных материалов, используемых в атомной энергетике для полуавтоматической сварки в смеси защитных газов металлоконструкций из хладостойкой низколегированной стали для транспортно-упаковочных комплектов металлобетонных контейнеров (ТУК МБК), предназначенных для многоразовой транспортировки и длительного хранения отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) атомных энергетических установок, а также может использоваться в различных отраслях машиностроения для изготовления сварных конструкций и изделий, эксплуатирующихся при температурах до минус 60°С. Материал содержит углерод, кремний, марганец, никель, ниобий, ванадий, медь, железо и примеси в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,03-0,10, кремний 0,40-0,65, марганец 1,80-2,10, никель 0,10-0,30, ниобий от более 0,05 до 0,10, ванадий от 0,05 до менее 0,10, медь 0,05-0,30, железо и примеси - остальное. В качестве примесей материал содержит (мас.%): азот 0,005-0,010, кислород 0,005-0,010, серу 0,006-0,010, фосфор 0,006-0,010, мышьяк 0,005-0,010, сурьму 0,001-0,005 и олово 0,001-0,005. При этом соблюдаются следующие соотношения: V+Nb≤0,15, S+Р+N₂+О₂≤0,030 и As+Sn+Sb≤0,015. Обеспечивается ядерная и экологическая безопасность в местах длительного хранения и при транспортировке отработавшего ядерного топлива за счет обеспечения требуемой хладостойкости металла шва. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.

 

Изобретение относится к области производства сварочных материалов, используемых в атомной энергетике, в частности, для полуавтоматической сварки в смеси защитных газов металлоконструкций из хладостойкой низколегированной стали транспортно упаковочных комплектов металлобетонных контейнеров (ТУК МБК), предназначенных для многоразовой транспортировки и длительного хранения отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) атомных энергетических установок, а также может использоваться в различных отраслях машиностроения для изготовления сварных конструкций и изделий, эксплуатирующихся при температурах до минус 60°С.

Аналогом по химическому составу (таблица 1) предлагаемого сварочного материала служит сварочная проволока марки Св-08Г2С [ГОСТ 2246-70], содержащая (мас.%):

Углерод	0,05-0,11	Сера	не более 0,025
Кремний	0,70-0,95	Фосфор	не более 0,030
Марганец	1,8-2,1	Железо	Остальное
Никель	не более 0,25

Данный материал при полуавтоматической сварке в смеси защитных газов не обеспечивает хладостойкости металла шва при температуре ниже минус 20°С: KCV^-20°С=79÷96 Дж/см²; KCV^-50°С=11÷17 Дж/см²; KCV^-60°С=9÷14 Дж/см² (таблица 2) и поэтому не может быть применен для сварки металлоконструкций ТУК МБК из хладостойкой низколегированной стали.

За прототип заявляемого сварочного материала (таблица 1) принята сварочная проволока импортного производства, содержащая (мас.%) [JP 07-276086 А, B23K 35/368, 24.10.1995, реферат, описание [0007] 2 л.]:

Углерод	0,03-0,09	Ниобий	0,01-0,05
Кремний	0,20-1,00	Ванадий	0,10-0,70
Марганец	0,30-3,00	Медь	0,10-1,50
Никель	0,20-5,00	Железо и примеси	Остальное

Указанная проволока имеет комплексную систему легирования для обеспечения хладостойкости металла шва, выполненного полуавтоматическим способом сварки в смеси защитных газов, однако стабильность хладостойкости обеспечивается при температуре не ниже минус 40°С: KCV^-40°C=116÷84 Дж/см²; KCV^-50°C=23÷81 Дж/см²; KCV^-60°C=14÷49 Дж/см² (таблица 2).

Техническим результатом изобретения является состав сварочного материала (таблица 1), обеспечивающий хладостойкость при температурах не менее минус 60°С металла шва сварных соединений из хладостойкой низколегированной стали при полуавтоматической сварке в смеси защитных газов. Ударная вязкость металла шва, выполненного указанным составом сварочной проволоки, составляет не менее 60 Дж/см² при температуре минус 60°С: KCV^-50°С=84÷96 Дж/см²; KCV^-60°С=64÷81 Дж/см² (таблица 2).

Представленный в заявке технический результат достигается изменением соотношения легирующих элементов и элементов-модификаторов (ванадия и ниобия), а также ограничением содержания в проволоке серы, фосфора, азота, кислорода, цветных примесей.

Предлагается состав сварочной проволоки, содержащий, мас.%:

Углерод	0,03-0,10	Азот	0,005-0,010
Кремний	0,40-0,65	Мышьяк	0,005-0,010
Марганец	1,80-2,10	Сурьма	0,001-0,005
Никель	0,10-0,30	Олово	0,001-0,005
Ниобий	от более 0,05 до 0,10	Сера	0,006-0,010
Ванадий	от 0,05 до менее 0,10	Фосфор	0,006-0,010
Медь	0,05- 0,30	Кислород	0,005-0,010
		Железо	Остальное

При этом

- суммарное содержание элементов-модификаторов не должно превышать V+Nb=≤0,15;

- суммарное содержания примесей не должно превышать S+P+N₂+O₂≤0,030;

- суммарное содержание цветных примесей не должно превышать As+Sn+Sb≤0,015.

Содержание марганца устанавливается в оптимальном пределе (1,8÷2,1)%. Минимальное содержание марганца по сравнению с прототипом увеличивается в шесть раз с учетом его выгорания при полуавтоматической сварке и необходимостью увеличения доли бейнитной составляющей в структуре металла шва для повышения хладостойкости. Верхний предел содержания марганца, по сравнению с прототипом, уменьшается на тридцать процентов для предотвращения формирования грубой игольчатой составляющей в структуре металла шва.

Содержание кремния устанавливается в оптимальном пределе (0,40÷0,65)%, позволяющем обеспечить как раскисление металла шва при сварке, так и предотвратить избыточное образование в структуре неметаллических включений типа силикатов, отрицательно влияющих на хладостойкость.

Содержание элементов-модификаторов устанавливается в оптимальных пределах: ниобия (от более 0,05 до 0,10%) и ванадия (от 0,05 до менее 0,10%). Введение элементов-модификаторов в указанных пределах приводит к формированию в металле шва оптимального количества мелкодисперсных карбидов типа VC, NbC, что позволяет обеспечить повышение хладостойкости при отрицательных температурах за счет измельчения структуры металла шва и увеличения работы распространения трещины.

В связи с тем, что избыточное количество карбидов типа VC, NbC в структуре металла шва приводит к значительному повышению прочностных свойств и снижению хладостойкости, устанавливается оптимальное суммарное содержание в проволоке элементов-модификаторов V+Nb≤0,15.

Регламентирование суммарного содержания вредных примесей S+P+N₂+O₂≤0,030 способствует повышению сопротивления хрупкому разрушению металла шва за счет снижения содержания в структуре неметаллических включений и уменьшения сегрегации вредных примесей по границам зерен и по границам фаз.

Суммарное ограничение содержания цветных примесей - As+Sb+Sn≤0,015 способствует повышению хладостойких свойств металла шва после проведения термической обработки - высокого отпуска.

Таким образом, задача создания нового состава сварочной проволоки заключается в изменении соотношения легирующих элементов и элементов-модификаторов (ванадия и ниобия), а также регламентированном содержании примесных элементов с целью обеспечения высоких хладостойких свойств металла шва сварных соединений из низколегированных хладостойких сталей при температурах до минус 60°С.

При легировании сварочной проволоки вне заданных пределов, в соответствии с заявленными, состав сварочной проволоки становится неоптимальным, что проявляется в снижении хладостойкости метала шва при отрицательных температурах.

На производственно-экспериментальной базе ФГУП ЦНИИ КМ "Прометей" был проведен комплекс работ по выплавке, пластической обработке и изготовлению опытной партии сварочной проволоки, изготовлены сварные пробы и проведены их испытания.

Химический состав исследованных материалов, а также результаты определения механических и хладостойких свойств представлены в табл. №1-3. Термическая обработка (отпуск) была выполнена по стандартному режиму, соответствующему свариваемой стали и применительно к режиму отпуска элементов ТУК МБК (650±10°С - 8 ч).

Ожидаемый технико-экономический эффект при использовании предлагаемого сварочного материала выразится в сохранении ядерной и экологической безопасности в местах длительного хранения и при транспортировке отработавшего ядерного топлива, за счет обеспечения требуемой хладостойкости металла шва сварных соединений ТУК МБК при всех условиях эксплуатации, включая аварийные ситуации. Кроме того, использование при сварке безникелевого экономно легированного сварочного материала позволит значительно сократить материальные затраты при изготовления сварных конструкций и изделий, эксплуатирующихся при температурах до минус 60°С.

Таблица 2
Результаты испытаний на ударный изгиб металла шва заявляемого и известного сварочного материала
Сварочный материал	№ партии условный	Ударная вязкость KCV, Дж/см2
		Исходное состояние после сварки	После термической обработки*
-20°С	-40°С	-50°С	-60°С	-20°С	-40°С	-50°С	-60°С
		192	156	98	78	196	158	96	75
	1	187	151	95	77	190	155	96	72
		181	151	92	75	185	152	94	70
		186	149	94	76	188	146	91	73
Предлагаемый	2	182	147	91	73	181	144	89	70
		177	143	89	73	180	142	85	67
		183	140	90	71	179	138	89	71
	3	179	139	85	69	175	135	85	67
		171	134	81	67	168	133	82	65
		125	116	28	21	96	98	41	14
Известный	4 (прототип)	107	102	64	49	90	84	32	18
		102	96	81	45	85	87	23	21
		96	40	17	14	86	34	15	12
Известный	5 (аналог)	89	29	17	12	83	25	13	10
		85	23	15	11	79	19	11	9
* - высокий отпуск 650±10°С - 8 ч.

Таблица 3
Механические свойства* металла шва заявляемого и известного сварочного материала
Сварочный материал	№ партии условный	В состоянии после сварки, Тисп=+20°С	После термической обработки** Тисп=+20°С
Rm, МПа	Rp0.2 МПа	А, %	z, %	Rm, МПа	Rp0.2 МПа	A, %	z, %
	1	540	470	33	65	510	440	35	68
Предлагаемый	2	560	480	31	63	540	460	34	66
	3	585	530	30	60	560	510	31	63
Известный	4 (прототип)	590	560	28	54	576	540	32	60
Известный	5 (аналог)	570	540	32	62	550	470	33	63
* - среднее значение испытания двух образцов на точку,
** - высокий отпуск 650±10°С - 8 ч.

1. Сварочный материал для полуавтоматической сварки в смеси защитных газов хладостойких низколегированных сталей, содержащий углерод, кремний, марганец, никель, ниобий, ванадий, медь, железо и примеси, отличающийся тем, что он содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:

углерод	0,03-0,10
кремний	0,40-0,65
марганец	1,80-2,10
никель	0,10-0,30
ниобий	от более 0,05 до 0,10
ванадий	от 0,05 до менее 0,10
медь	0,05-0,30
железо и примеси	остальное,

при этом суммарное содержание не превышает V+Nb≤0,15.

2. Сварочный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве примесей он содержит азот, кислород, серу, фосфор, олово, сурьму и мышьяк при следующем их содержании, мас.%:

азот	0,005-0,010
кислород	0,005-0,010
сера	0,006-0,010
фосфор	0,006-0,010
мышьяк	0,005-0,010
сурьма	0,001-0,005
олово	0,001-0,005,

при следующих ограничениях по соотношению примесных элементов:
S+Р+N₂+O₂≤0,030 и
As+Sn+Sb≤0,015.