Сварочный материал для сварки хладостойких низколегированных сталей


 


Владельцы патента RU 2436663:

Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли РФ (Минпромторг России) (RU)

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+N22≤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.



 

Похожие патенты:
Сталь // 2422550
Изобретение относится к черной металлургии, а именно к составам стали, используемой в автомобильной промышленности. .
Сталь // 2416667
Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к составам стали, используемой в автомобильной промышленности. .
Сталь // 2416666
Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам сталей, используемых для изготовления отливок сложных конфигураций. .
Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению листа нетекстурированной электротехнической стали, применяемого в качестве материала железных сердечников для высокооборотных моторов.

Изобретение относится к металлургии стали и может быть использовано при производстве подката для получения холоднодеформированного арматурного периодического профиля.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству штрипса толщиной 15- 28 мм ответственного назначения. .
Изобретение относится к области обработки металлов давлением, в частности к технологии прокатки на реверсивном толстолистовом стане. .

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству стального листа с покрытием на основе алюминия, обладающего хорошей устойчивостью к изменению цвета при нагреве и свариваемостью, а также стойкостью к предотвращению уменьшения прочности, и к термоусаживающемуся бандажу, полученному из листа.

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к составам сталей, используемых при производстве горячекатаного и холоднокатаного проката повышенной прочности с покрытием и без покрытия, предназначенного для изготовления изделий автомобиля методом штамповки.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству толстолистового проката ответственного назначения. .

Изобретение относится к области производства сварочных материалов, используемых в атомной энергетике, в частности, для сварки корпусов парогенераторов. .

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для наплавки изделий различного назначения, в том числе инструмента горячего деформирования, например бойков радиально-ковочных машин, роликов МНЛЗ.
Изобретение относится к области металлургии и сварки, в частности к составу легированных сталей, которые применяются при изготовлении сварочной проволоки для электросварки броневых сталей.

Изобретение относится к металлургии сложнолегированных сварочных материалов и может быть использовано для сварки деталей из сталей перлитного класса между собой или для приварки к деталям из стали аустенитного класса.
Изобретение относится к области машиностроения и может найти применение при изготовлении деталей горячего тракта газотурбинных двигателей, таких как направляющие аппараты компрессоров и сопловые аппараты турбин из деформированных и литых жаропрочных никелевых сплавов.

Изобретение относится к области производства сварочных материалов, используемых при изготовлении нефтеперерабатывающего оборудования, в частности для выполнения низкоуглеродистого барьерного подслоя на внутреннюю поверхность корпусов реакторов гидрокрекинга перед выполнением антикоррозионной наплавки для повышения стойкости против отслаивания.

Изобретение относится к области производства сварочных материалов, используемых в ядерной энергетике, в частности, для выполнения малоактивируемой антикоррозионной наплавки внутренней поверхности корпусов реакторов из теплоустойчивых радиационностойких малоактивируемых сталей.
Изобретение относится к составам материалов, используемым для упрочняющей наплавки роликов машин непрерывного литья заготовок открытой или закрытой дугой. .
Изобретение относится к технологическим процессам, а именно к пайке различных материалов электронной техники и, прежде всего, элементов электровакуумных изделий СВЧ.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сварочной проволоке, используемой для сварки криогенных сталей
Наверх