Сварочная проволока для автоматической сварки теплоустойчивых сталей перлитного класса

Изобретение относится к производству сварочных материалов и может быть использовано для автоматической сварки теплоустойчивых сталей перлитного класса при изготовлении изделий в нефтехимическом и энергетическом машиностроении. Сварочная проволока для автоматической сварки теплоустойчивых сталей перлитного класса содержит, мас.%: углерод 0,13-0,18, кремний 0,15-0,40, марганец 0,30-1,20, хром 1,5-2,5, никель 0,01-0,20, молибден 0,4-1,2, титан 0,01-0,15, ванадий 0,05-0,25, алюминий 0,005-0,05, медь 0,01-0,06, ниобий 0,001-0,01, кислород 0,001-0,005, олово 0,0001-0,001, сурьма 0,001-0,008, мышьяк 0,001-0,01, кобальт 0,005-0,02, азот 0,003-0,015, сера 0,001-0,006, фосфор 0,001-0,006, свинец 0,001-0,01, железо - остальное, при следующих ограничениях по соотношению элементов в сварочной проволоке: (0,3Cr+5V+12Nb)/C≤13. Технический результат - повышение прочностных характеристик металла сварных швов при рабочих температурах до 450°C, с сохранением стойкости металла шва к тепловому охрупчиванию и высокого уровня пластичных и вязких характеристик. 5 табл.

 

Изобретение относится к производству сварочных материалов и может быть использовано для автоматической сварки теплоустойчивых сталей перлитного класса при изготовлении изделий в нефтехимии и атомном энергетическом машиностроении.

Для обеспечения надежности и долговечности оборудования металл сварного шва должен обладать комплексом технологических и служебных свойств: высокой прочностью и пластичностью, низкой температурой хрупковязкого перехода (Тк0), стойкостью против тепловой хрупкости.

Значительная часть нефтехимического и энергетического оборудования изготавливается из теплоустойчивой стали 15Х2МФА, ТУ 108-131-86, которая содержит 2,5-3,0% Cr, 0,6-0,8% Mo, 0,25-0,35% V, обладает высокой прочностью и пластичностью при температуре эксплуатации до 450°C. Для сварки этой стали предусматривается применение сварочной проволоки марки Св-10ХМФТУ по ТУ 14-1-4914-90, содержащая в своем составе:

Углерод 0,07-0,12 Сера не более 0,012
Кремний не более 0,35 Фосфор не более 0,010
Марганец 0,4-0,7 Никель не более 0,3
Хром 1,4-1,8 Медь не более 0,06
Титан 0,05-0,12 Алюминий не более 0,05
Молибден 0,4-0,6 Азот не более 0,015
Ванадий 0,20-0,35 Железо Остальное

Наиболее близким к заявленному составу является состав сварочной проволоки по патенту Российской Федерации RU 2194602 C2, прототип, имеющий следующие ингредиенты, %

Углерод 0,07-0,12 Кислород 0,001-0,005
Кремний 0,15-0,40 Олово 0,0001-0,001
Марганец 0,30-1,20 Сурьма 0,001-0,008
Хром 1,5-2,5 Мышьяк 0,001-0,01
Никель 0,01-0,20 Кобальт 0,005-0,02
Молибден 0,4-1,2 Азот 0,003-0,012
Титан 0,01-0,15 Сера 0,001-0,006
Ванадий 0,05-0,25 Фосфор 0,001-0,006
Алюминий 0,005-0,05 Свинец 0,001-0,01
Медь 0,01-0,06 Железо Остальное

В настоящее время наблюдается тенденция к повышению рабочих параметров установок глубокой переработки нефтепродуктов с целью повышения их КПД, а именно увеличения давления и температуры до 450°C. При этом в основном металле, применяемом, в настоящее время, снижение прочностных характеристик при увеличении рабочих температур до 450°C практически не наблюдается. В то же время, в металле сварного шва, выполненного упомянутыми сварочными материалами при повышении рабочей температуры до 450°C, наблюдается значительное падение прочностных характеристик.

Недостатком указанного состава являются низкие прочностные характеристики при температурах эксплуатации нефтехимического оборудования 400-450°C.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение прочностных характеристик металла сварных швов при рабочих температурах до 450°C, с сохранением стойкости металла шва к тепловому охрупчиванию и высокого уровня пластичных и вязких характеристик.

Технический результат достигается изменением соотношения легирующих элементов, введением дополнительно в состав заявляемой сварочной проволоки ниобия и увеличением содержания углерода.

Предлагается состав сварочной проволоки, содержащий, мас.%:

Углерод 0,13-0,18 Кислород 0,001-0,005
Кремний 0,15-0,40 Олово 0,0001-0,001
Марганец 0,30-1,20 Сурьма 0,001-0,008
Хром 1,5-2,5 Мышьяк 0,001-0,01
Никель 0,01-0,20 Кобальт 0,005-0,02
Молибден 0,4-1,2 Азот 0,003-0,015
Титан 0,01-0,15 Сера 0,001-0,006
Ванадий 0,05-0,25 Фосфор 0,001-0,006
Алюминий 0,005-0,05 Свинец 0,001-0,01
Медь 0,01-0,06 Железо Остальное
Ниобий 0,001-0,01

Нормирование содержания легирующих элементов выполнено таким образом, чтобы металл сварного шва после соответствующих технологических отпусков обеспечивал требуемый уровень важнейших механических свойств. Кроме того, для избежания повышенного охрупчивания при технологических отпусках и эксплуатации сварных конструкций вводится следующее соотношение:

(0,3Cr+5V+12Nb)/C≤13

Увеличение прочностных характеристик достигается за счет повышения углерода в металле шва. Высокое содержание углерода обеспечивает получение закалочных структур и увеличение объемной доли карбидной фазы, что обеспечивает необходимые прочностные характеристики. При содержании углерода в проволоке более 0,18% наблюдается значительное снижение пластических и вязких характеристик металла сварного шва. Уменьшение содержания углерода менее 0,13% приводит к снижению прочностных характеристик металла шва при рабочих температурах, ниже требуемого уровня.

Как правило, повышение прочностных характеристик ведет к снижению вязких и пластических показателей металла шва. Для предотвращения этого явления металл шва модифицируется ниобием. В указанных пределах такое легирование способствует возникновению дополнительной мелкодисперсной фазы (карбиды ниобия) и измельчению зерен, увеличению протяженности их границ и, как следствие, более равномерному распределению примесей по объему. Дальнейшее повышение содержания ниобия приводит к укрупнению карбидов ниобия, что приводит к значительному охрупчиванию металла шва в ходе послесварочных отпусков и эксплуатации при рабочих температурах. При содержании ниобия в металле шва менее 0,001% его влияние практически не прослеживается.

На основании экспериментальных исследований было установлено оптимальное соотношение между углеродом и такими карбидообразующими элементами как хром, ванадий и ниобий, которое позволяет обеспечить высокую стойкость металла к тепловому охрупчиванию:

(0,3Cr+5V+12Nb)/C≤13

Невыполнение этого соотношения приводит к сильному охрупчиванию металла шва в результате длительных тепловых выдержек за счет того, что со временем легирующие элементы, не связанные в прочные карбиды, образуют хрупкие межзеренные интерметаллидные прослойки.

Таким образом, задача создания нового состава сварочной проволоки заключается в оптимизации содержания легирующих элементов с целью обеспечения высоких прочностных характеристик при температуре эксплуатации сварных конструкций (400-450°C) и стойкости к охрупчиванию под воздействием длительных тепловых выдержек на металл сварных швов при сохранении требуемых характеристик вязкости и пластичности.

При легировании сварочной проволоки вне заданных пределов, в соответствии с заявленными, состав сварочной проволоки становится неоптимальным, что проявляется в усилении склонности к тепловому охрупчиванию, или снижению характеристик прочности, пластичности и вязкости металла шва.

На производственной базе ОАО «МЗ «Электросталь» ЦНИИ КМ "Прометей" провел комплекс лабораторных и опытно-промышленных работ по выплавке, пластической обработке и изготовлению опытной партии сварочной проволоки. Во ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» были изготовлены сварные пробы в натурном сечении из стали марки 15Х2МФА и проведены их испытания.

Химический состав исследованных материалов, а также результаты определения необходимых механических и служебных свойств металла шва и основного металла представлены в табл. №2-5.

Из приведенных таблиц видно, несоблюдение соотношения в химическом составе проволоки карбидообразующих элементов и углерода ведет к значительному охрупчиванию металла шва после тепловых выдержек «Step Cooling», а при снижении содержания углерода ниже заявленного предела предел прочности при рабочих температурах не отвечает предъявляемым требованиям. В то же время превышение содержания ниобия привело к значительному снижению вязких и пластических свойств по сравнению с заявленными пределами.

Ожидаемый технико-экономический эффект от использования нового состава сварочной проволоки для изготовления корпусов нефтехимического оборудования с высокими рабочими параметрами выразится в повышении КПД оборудования при обеспечении его повышенной безопасности.

Таблица 1
Требования, предъявляемые к механическим свойствам металла сварных швов, установок с повышенными рабочими параметрами.
+20°C +450°C Критическая температура хрупкости Тк0
σв σ0,2 δ ψ σв σ0,2 δ ψ
МПа % МПа % °C
Требования к сварному шву 585 415 18 45 461 392 14 50 ≤-18
Таблица 2
Химический состав плавок
№ плавки Массовая доля элементов, %
С Si Mn Cr Ni Mo Ti V Cu Al Nb N
1 0,20 0,32 0,25 1,6 0.01 0,35 0,07 0,06 0,02 0,007 0,0003 0,007
2 0,16 0,40 1,20 2,5 0,20 1,20 0,15 0,25 0,06 0,050 0,0100 0,015
3 0,18 0,25 0,98 1,9 0,14 0,83 0,09 0,18 0,04 0,010 0,0080 0,005
4 0,13 0,15 0,30 1,5 0.01 0,40 0,01 0,05 0,01 0,005 0,0010 0,003
5 0,11 0,30 0,85 2,4 0,15 0,93 0,10 0,23 0,02 0,007 0,0130 0,007
6 (прототип) 0,10 0,28 0,80 2,0 0,15 0,80 0,08 0,30 0,02 0,010 - 0,010
№ плавки Массовая доля элементов, %
Sb Sn As Co S P O Pb Fe (0,3Cr+5V+12Nb)/C≤13
1 0,002 0,0002 0,004 0,006 0,002 0,002 0,002 0,002 Остальное 3,91
2 0,008 0,0010 0,010 0,020 0,006 0,006 0,005 0,01 13,00
3 0,002 0,0020 0,005 0,010 0,003 0,005 0,002 0,006 8,33
4 0,001 0,0001 0,001 0,005 0,001 0,001 0,001 0,001 5,47
5 0,003 0,002 0,005 0,010 0,001 0,002 0,003 0,002 18,42
6 (прототип) 0,004 0,0005 0,005 0,015 0,004 0,003 0,003 0,005 -
Таблица 3
Механические свойства металла шва
№ плавка Механические свойства Тк0
Тисп=+20°C Тисп=+450°C
σв α0,2 δ ψ σв σ0,2 δ ψ
МПа МПа % % МПа МПа % % °C
1 720 650 12,5 47,5 590 550 12,0 43,0 +10
700 640 13,0 48,0 610 550 11,0 40,0
2 700 580 16,5 58,0 590 450 15,0 52,5 -18
710 590 15,5 57,0 590 460 15,5 53,0
3 650 510 23,5 71,0 530 425 20,3 62,0 -30
635 500 24,0 72,5 540 425 19,5 59,5
4 600 480 22,0 64,0 500 410 18,5 57,0 -25
590 475 22,5 65,0 495 405 18,5 55,0
5 580 430 18,0 62,0 430 345 19,5 62,0 +5
580 460 17,5 65,5 425 320 19,5 60,0
6 590 452 24,8 69,5 410 325 21,0 61,0 -25
(прототип) 580 450 24,0 75,0 410 335 23,0 65,0
Таблица 4
Механические свойства основного металла (15Х2МФА)
№ плавка Механические свойства Тк0
Тисп=+20°C Тисп=+450°C
σв σ0,2 δ ψ σв σ0,2 δ ψ
МПа МПа % % МПа МПа % % °C
С-20023 680 590 25,4 72 550 450 20 61 -20
680 580 26,0 72 540 440 20 60
Таблица 5
Значения критической температуры хрупкости Тк0 металла шва и основного металла до и после Step Cooling, сдвиг Тк0 в результате тепловых выдержек
№ плавки Значения Тк0 ΔТк0
После сварки и высокого отпуска После тепловых выдержек
1 +10 +15 5
2 -18 -8 10
3 -30 -25 5
4 -25 -20 5
5 +5 +35 30
6 (прототип) -25 -15 10
Основной металл -20 -5 15

Сварочная проволока для автоматической сварки теплоустойчивых сталей перлитного класса, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, титан, ванадий, алюминий, медь, кислород, олово, сурьма, мышьяк, кобальт, азот, сера, фосфор, свинец и железо, отличающаяся тем, она дополнительно содержит ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0,13-0,18 Кислород 0,001-0,005
Кремний 0,15-0,40 Олово 0,0001-0,001
Марганец 0,30-1,20 Сурьма 0,001-0,008
Хром 1,5-2,5 Мышьяк 0,001-0,01
Никель 0,01-0,20 Кобальт 0,005-0,02
Молибден 0,4-1,2 Азот 0,003-0,015
Титан 0,01-0,15 Сера 0,001-0,006
Ванадий 0,05-0,25 Фосфор 0,001-0,006
Алюминий 0,005-0,05 Свинец 0,001-0,01
Медь 0,01-0,06 Железо остальное,
Ниобий 0,001-0,01

при следующих ограничениях по соотношению элементов в сварочной проволоке:
(0,3Cr+5V+12Nb)/C≤13.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к области металлургии, а именно к составу легированной стали, предназначенной для изготовления резистивных нагревательных элементов в производстве пленочных электронагревателей.

Изобретение относится к области металлургии. .

Изобретение относится к области металлургии, а именно к аустенитной нержавеющей стали, имеющая низкое содержание никеля и молибдена. .

Изобретение относится к области металлургии, а именно к разработке конструкционных сталей перлитного класса, упрочняемых объемно-поверхностной закалкой (ОПЗ). .

Изобретение относится к области металлургии, а именно к разработке конструкционных сталей перлитного класса, упрочняемых объемно-поверхностной закалкой (ОПЗ). .
Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам сортовой углеродистой стали. .

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к спеченным антифрикционным материалам на основе железа. .
Изобретение относится к области металлургии, в частности к изготовлению ориентированной кремнистой стали с высокими электромагнитными свойствами. .

Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано при производстве широких горячекатаных полос толщиной 4,0÷9,0 мм из низколегированных марок стали, предназначенных для последующего изготовления силовых элементов автомобиля методом штамповки (балки, перекладины, рамы грузовых автомобилей).
Изобретение относится к области металлургии, в частности к припоям для пайки изделий из ювелирных сплавов 850 пробы. .

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к сплавам для сварочных проволок и может быть использовано при изготовлении и ремонте изделий, а также для наплавки уплотнительных поверхностей изделий из медно-никелевых сплавов с содержанием никеля 29-42%, эксплуатирующихся в морской воде.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству сварочных материалов, и может быть использовано для автоматической сварки теплоустойчивых сталей перлитного класса при изготовление изделий в энергетическом машиностроении.
Изобретение относится к сварке и касается состава сварочной проволоки для сварки и наплавки изделий, работающих при больших знакопеременных нагрузках и повышенных температурах, и может быть использовано для наплавки первого слоя кромок углеродистых и низколегированных сталей при выполнении разнородных сварных соединений со сталями аустенитного класса, преимущественно, при изготовлении сварных конструкций атомного и энергетического машиностроения.
Изобретение относится к сварке и касается состава сварочной проволоки для сварки и наплавки изделий, работающих при больших знакопеременных нагрузках и повышенных температурах, и может быть использовано для наплавки первого слоя кромок углеродистых и низколегированных сталей при выполнении разнородных сварных соединений со сталями аустенитного класса, преимущественно при изготовлении сварных конструкций атомного и энергетического машиностроения.
Изобретение относится к сварке и может быть использовано для выполнения разнородных сварных соединений корпусных конструкций атомного и энергетического машиностроения из низколегированных сталей и заварки выборок при исправлении дефектов.

Изобретение относится к области металлургии и сварки, а именно к сварочным проволокам, используемым для механизированной сварки в среде защитных газов конструкций из немагнитной высокопрочной аустенитной азотистой стали, применяемой в различных отраслях промышленности, в частности судостроении и нефтехимической промышленности.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сварочной проволоке, используемой для сварки криогенных 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.
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано 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 производству сварочных материалов и может быть использовано для автоматической сварки теплоустойчивых сталей перлитного класса при изготовлении изделий в нефтехимическом и энергетическом машиностроении

Наверх