Сварочная проволока для сварки высоконикелевых сплавов


 


Владельцы патента RU 2553768:

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ "ПРОМЕТЕЙ" (ФГУП "ЦНИИ КМ "ПРОМЕТЕЙ") (RU)

Изобретение относится к металлургии жаропрочных сплавов для сварочной проволоки и может быть использовано для сварки деталей из высоконикелевых сплавов высокотемпературных установок с температурой эксплуатации до 950оC. Сварочная проволока содержит, мас.%: углерод 0,01-0,05, кремний 0,05-0,2, марганец 1,3-2,0, хром 14,0-16,0, молибден 6,0-7,0, вольфрам 2,5-3,5, железо 17,0-20,0, азот 0,01-0,04, иттрий 0,01-0,1, цирконий 0,05-0,15, кальций 0,001-0,1, сера менее 0,010, фосфор менее 0,015, никель - остальное. Сварочная проволока характеризуется повышенными технологической прочностью и высокими кратковременными механическими свойствами и длительной прочностью при температурах до 950оC. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.

 

Изобретение относится к металлургии жаропрочных сплавов, содержащих в качестве основы никель, хром, молибден, вольфрам, железо, марганец, а также углерод, кремний, цирконий, иттрий, кальций, и предназначено для сварки высоконикелевых сплавов, применяемых для высокотемпературных установок с температурой эксплуатации от 800 до 950°C в газовой среде. Известно, что для сварки высоконикелевых жаропрочных сталей и сплавов для установок, эксплуатирующихся до температуры 750°C, используются следующие материалы: Св-03Х15Н35Г7М6Б, Св-30Х15Н35В3Б3Т, Св-03Х20Н45Г6М6Б-ВИ [1-4]. Эти сварочные материалы не могут быть использованы при сварке деталей для высокотемпературных установок с температурой эксплуатации от 800 до 950°C, так как имеют низкие значения длительной прочности при этих температурах и низкую технологическую прочность при сварке, а наиболее близкой по составу компонентов является сварочная проволока марки Т-22 (06Х15Н35Г7В7М3Т) [5], принятая за прототип, содержащая компоненты, в масс.%

Углерод до 0,08
Хром 14,5-16,0
Кремний 0,2-0,35
Марганец 5,5-7,0
Молибден 2,4-3,2
Вольфрам 6,0-7,5
Алюминий 0,3-0,5
Титан до 0,8
Железо Остальное
Никель 34,0-36,0

Металл сварного шва, выполненный сварочной проволокой известного состава, используется для конструкций, работающих при температурах до 750°C, однако он имеет недостаточную длительную прочность при температурах 800-950°C, а также склонен к горячим трещинам при сварке, и недостаточные кратковременные механические свойства.

Техническим результатом изобретения является создание сварочной проволоки, обладающей более высокой длительной прочностью до температуры 950°C и повышенным уровнем технологической прочности при сварке и кратковременных механических свойств.

Технический результат изобретения достигается за счет того, что в сварочной проволоке, содержащей углерод, хром, кремний, марганец, молибден, вольфрам, железо и никель - дополнительно введены азот, иттрий, цирконий и кальций при следующем содержании компонентов в масс.%:

Углерод 0,01-0,05
Кремний 0,05-0,20
Марганец 1,3-2,0
Хром 14,0-16,0
Молибден 6,0-7,0
Вольфрам 2,5-3,5
Железо 17,0-20,0
Азот 0,01-0,04
Иттрий 0,01-0,1
Цирконий 0,05-0,15
Кальций 0,001-0,1
Никель и примеси Остальное
Примеси:
Сера менее 0,010
Фосфор менее 0,015

Первоочередной задачей при создании сварочной проволоки для высоконикелевых сплавов является стойкость сварного соединения к образованию горячих трещин. Количественным критерием является показатель технологической прочности Акр, то есть максимальная скорость принудительной деформации свариваемых образцов, при которой не происходит появления горячих трещин [6]. Чем она выше, тем менее склонен сварной шов к образованию горячих трещин.

Углерод. Содержание углерода более 0,05% приведет к неустойчивости структуры, появлению на границах зерен крупных карбидов Ме23С6, при этом снижается длительная прочность, длительная пластичность и ударная вязкость. Поэтому содержание углерода ограничено 0,05%.

Кремний. Увеличение содержания кремния свыше 0,30% снижает Акр, приводя к появлению трещин при сварке [6]. Его содержание было ограничено 0,20%.

Марганец. Увеличение марганца от 2,0 до 5,5÷7,0% (как в известной сварочной проволоке) не повышает (Акр), но снижает длительную прочность, особенно при температурах 900-950°C [7]. Кроме того, при изготовлении сварочной проволоки с более чем 4% Mn недопустимо по нормам экологической безопасности на металлургических заводах (вредное воздействие окислов марганца на человека).

Хром. Содержание хрома в заявляемой сварочной проволоке не изменяется по сравнению с известным составом, так как при более высоком содержании хрома (17-20%) при эксплуатации могут появиться интерметаллиды (Fe, Cr)2Mo (Fe, Cr)2W, что приводит к разупрочнению [7]. Поэтому в изобретении содержание хрома находится в пределах 14,0÷16,0%.

Молибден и вольфрам. При определении содержания молибдена и вольфрама были приняты во внимание результаты прогнозирования склонности к выделению фаз в высоконикелевых сплавах, изложенные в работах [8, 9]. Соотношение между содержанием Мо и W должно быть 2,0-2,5. Большее значение соотношения приводит к появлению охрупчивающих фаз, а меньшее - к снижению длительной прочности и стабильности механических свойств. Молибден и вольфрам в основном находятся в твердом растворе аустенита и упрочняют матрицу.

Увеличение содержания Мо и W или изменение соотношения Mo/W приведет к большему выпадению интерметаллидных фаз, их коагуляции и, следовательно, к снижению длительной прочности.

Титан и алюминий в известный состав электродов ЦТ-22 вводят для упрочнения за счет дисперсионного твердения, связанного с образованием фазы типа Ni3(Ti, Al), однако эта фаза при температурах более 800-850°C является неустойчивой, что снижает высокотемпературную прочность. Для условий эксплуатации при 800-950°C эти элементы приведут к разупрочнению, поэтому их применять нецелесообразно.

Иттрий. Иттрий вводят в сварочную проволоку для повышения высокотемпературных пластических свойств, так как он очищает границы зерен от легкоплавких примесей, образуя с ними тугоплавкие соединения.

Известно [10], что введение 0,01-0,05% иттрия в высоконикелевый сплав повышает относительное удлинение на 10-15% при высоких температурах.

Технологичность при ковке слитков и поковок существенно повышается, аналогичным образом повышается и Акр при сварке, что позволяет сваривать высоконикелевые сплавы без горячих трещин.

Цирконий. Цирконий связывает углерод и азот, создавая мелкодисперсные карбиды и нитриды, что способствует повышению длительной прочности. Образование и растворение ZrC, ZrN происходит при температурах 1150-1250°C, то есть карбиды и нитриды циркония обладают высокой стойкостью при температурах эксплуатации (до 950°C). Упрочняющее влияние циркония объясняется еще тем, что, с одной стороны, он является сильным раскислителем, повышая качество металла, а с другой, будучи поверхностно активным элементом, располагается в пограничных объемах и затрудняет протекание диффузионных процессов.

Кальций. Кальций имеет большое сродство с серой, образуя высокотемпературное соединение CaS, что приводит к повышению высокотемпературной пластичности материала за счет уменьшения сегрегатов и очистки матрицы от серы, при этом снижается склонность к образованию горячих трещин при сварке.

Сера и фосфор. Для увеличения прочности границ зерен и повышения пластичности при высоких температурах необходимо ограничить содержание серы и фосфора по сравнению с известной сварочной проволокой, так как сера и фосфор на границах зерен образуют легкоплавкие эвтектики. Поэтому в заявляемой сварочной проволоке серы и фосфора должно быть не более 0,010 и 0,015% соответственно.

Были выплавлены плавки предлагаемого и известного составов в индукционных печах с основным тиглем, проведена горячая пластическая обработка, включающая ковку и прокатку в интервале температур 1180-960°C, и волочение. Получена проволока диаметром 1,6, 2, 3, 4 и 5 мм, прошедшая термообработку, и осуществлена сварка с использованием этой проволоки пластин толщиной до 40 мм из сплава марки 05Х19Н50М6В3Ц, исследованы механические свойства, длительная прочность и склонность металла сварного шва к образованию горячих трещин при сварке (по показателю технологической прочности Акр).

Химический состав сварочной проволоки приведен в таблице 1, химический состав металла шва - в таблице 2, свойства металла шва - в таблице 3.

При этом химический состав свариваемого металла в масс.% составлял:

Углерод 0,037
Кремний 0,1
Марганец 1,6
Хром 17,7
Молибден 6,1
Вольфрам 2,7
Железо 17,9
Иттрий 0,06
Цирконий 0,10
Кальций 0,005
Сера 0,01
Фосфор 0,015
Никель Остальное
Таблица 1
Химический состав сварочной проволоки
Сварочная проволока Условный номер плавки Химический состав, вес.%
С N Si Mn Cr Мо W Fe Y Zr Са Примеси Ni
S Р
Предлагаемая 1 0,01 0,01 0,05 1,30 14,0 6,0 2,5 17,0 0,01 0,05 0,001 0,010 0,008 остальное
2 0,03 0,02 0,15 1,5 15,0 6,5 3,0 18,4 0,05 0,10 0,05 0,006 0,006 остальное
3 0,05 0,04 0,20 2,0 16,0 7,0 3,5 20,0 0,1 0,15 0,1 0,005 0,015 остальное
Известная 4 0,038 - 0,10 1,72 15,5 3,1 6,5 Ост. - 0,012 0,016 35,6
Таблица 2
Химический состав металла сварного шва (аргонодуговая сварка)
Сварочная проволока Условный номер плавки Химический состав, вес.%
С N Si Mn Cr Мо W Fe Y Zr Са Примеси Ni
S Р
Предлагаемая 1 0,020 0,01 0,04 1,4 13,8 5,8 2,0 17,0 0,004 0,05 0,001 0,007 0,007 ОСТ.
2 0,031 0,02 0,12 1,0 14,6 6,2 2,9 18,2 0,04 0,07 0,04 0,005 0,006 ОСТ.
3 0,043 0,04 0,20 1,9 15,3 6,4 3,3 19,2 0,08 0,15 0,08 0,005 0,009 ОСТ.
Известная 4 0,036 - 0,10 1,46 15,5 3,0 6,4 Ост. - - - 0,011 0,012 35,0
Таблица 3
Свойства металла сварного шва
Сварочная проволока Условный номер плавки Предел прочности, МПа Предел текучести, МПа Технологическая прочность Акр, мм/мин Длительная прочность при 950°C за 1000 час, МПа
+20°C +950°C +20°C +950°C
Предлагаемая 1 617 147 323 137 2,3 24,5
2 625 167 348 139 2,5 26,0
3 640 186 353 141 2,7 26,5
Известная 4 608 127 245 108 0,9 17,6

Примечания:

1. Результаты механических испытаний усреднены по трем образцам на точку.

2. Для оценки технологической и длительной прочности использовано по 6 образцов на точку.

Из таблицы 3 следует, что пределы прочности и текучести металла сварного шва при температурах 20 и 950°C выше у предлагаемой сварочной проволоки, чем у известной. Длительная прочность при температуре 950 C за 1000 часов также выше. Склонность к горячему трещинообразованию у известной сварочной проволоки выше чем у предлагаемой, что следует из оценки технологической прочности (Акр).

Ожидаемый технико-экономический эффект, который может быть получен при использовании предлагаемого состава сварочной проволоки, выразится в увеличении надежности и срока службы энергетических установок, сварные соединения которых работают при повышенных до 950°C температурах за счет повышения длительной прочности металла сварного шва, а также в снижении брака и трудоемкости при проведении сварочных работ за счет повышения технологической прочности металла шва (отсутствие горячих трещин).

Источники информации

1. Правила и нормы в атомной энергетике. (ПН АЭ Г-7-009-89).

2. Шоршоров М.Х., Банных О.А., Антипов В.И. и др. Сплав Н70ВТЮ-ИД (ЭК-27-ИД). Физика и химия обработки материалов. М.: 1977, №1, с.112.

3. Шоршоров М.Х. Горячие трещины при сварке жаропрочных сплавов. М.: Машиностроение, 1974, с.189.

4. Journal of Engineering Materials and Technology. V 107, №1, 1985.

5. Закс И.А. Электроды для дуговой сварки сталей и никелевых сплавов. Справочное пособие. С-Петербург, 1996 г., с.275-278.

6. Заболоцкий В.М. и др. Исследование свариваемости высоконикелевых аустенитных сплавов типа 03Х20Н45М3Б. Вопросы судостроения. Сварка. Вып.33, 1982 г.

7. Химушин Ф.Ф. Жаропрочные стали и сплавы. М.: Металлургия, 1964.

8. Трапезников Ю.М., Михайлов А.С. Прогнозирование склонности жаропрочной стали к выделению охрупчивающих фаз. Вопросы судостроения. Металловедение. №43, 1985.

9. Трапезников Ю.М., Михайлов А.С. Выбор легирующего комплекса в целях разработки материала для длительной работы до 900°C. Технология судостроения, №12, 1985.

10. Трапезников Ю.М., Бережко Б.И., Зимин Г.Г. Исследование влияния технологии изготовления трубной заготовки на свойства стали 03Х20Н32М3Б. Вопросы судостроения. Сер. Металлургия, вып. 29, 1980 г.

1. Сварочная проволока для сварки высоконикелевых сплавов, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, молибден, вольфрам, железо и никель, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены азот, кальций, цирконий и иттрий при следующем содержании компонентов, мас.%:

Углерод 0,01-0,05
Кремний 0,05-0,20
Марганец 1,3-2,0
Хром 14,0-16,0
Молибден 6,0-7,0
Вольфрам 2,5-3,5
Железо 17,0-20,0
Азот 0,01-0,04
Иттрий 0,01-0,1
Цирконий 0,05-0,15
Кальций 0,001-0,1
Никель и примеси Остальное

2. Сварочная проволока для сварки высоконикелевых сплавов по п.1, отличающаяся тем, что в качестве примесей она содержит серу и фосфор при следующем содержании, мас.%:

Сера менее 0,010
Фосфор менее 0,015



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии, в частности к стойким к окислению сплавам на основе никеля. Стойкий к окислению сплав никеля содержит, мас.%: 4-7 Cr, 4-5 Si, 0,1-0,2 Y, 0,1-0,2 Mg, 0,1-0,2 Hf, Ni и неизбежные примеси - остальное.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам для защитного покрытия конструктивного элемента газовой турбины от коррозии и/или окисления. Защитное покрытие для защиты конструктивного элемента газовой или паровой турбины от коррозии и/или окисления, в частности, при высоких температурах, выполненное в виде одиночного металлического слоя из сплава, содержащего, вес.%: 24-26 кобальта, 12-14 хрома, 10-12 алюминия, 0,2-0,5 по меньшей мере одного элемента из группы, включающей в себя скандий и редкоземельные элементы, никель - остальное.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам на основе никеля для изготовления механических компонентов турбомашин. Суперсплав на основе никеля для механических компонентов турбомашин содержит, мас.%: хром - от 3 до 7, вольфрам - от 3 до 15, тантал - от 4 до 6, алюминий - от 4 до 8, углерод менее 0,8, никель и примеси - остальное.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сплавам, предназначенным для элементов, используемых в атомной энергетике, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности, работающих при высоких температурах.

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к дисперсионно-упрочненным жаропрочным сплавам на основе никеля и может быть использовано в качестве материала для трубчатой оболочки тепловыделяющего элемента реакторов на быстрых нейтронах.

Изобретение относится к металлургии, в частности к литейным жаропрочным коррозионно-стойким сплавам на основе никеля, и может быть использовано для изготовления литьем деталей горячего тракта газотурбинных установок, работающих в агрессивных средах при температурах 700-900°C.

Изобретение относится к металлургии, к коррозионно-стойким жаропрочным сплавам на основе никеля и может быть использовано для изготовления деталей горячего тракта газотурбинных установок, работающих в агрессивных средах.

Изобретение относится к металлургии, в частности к литейным коррозионностойким жаропрочным сплавам на основе никеля, и может быть использовано для изготовления литьем деталей горячего тракта газотурбинных установок (ГТУ), работающих в агрессивных средах природного газа при температурах 600-890°C.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе. Сплав, мас.%: хром - 4,0-6,0; кобальт - 8,0-11,0; молибден - 2,5-3,5; вольфрам - 6,0-8,0; алюминий - 5,4-6,2; углерод 0,05-0,16; бор - 0,008-0,04; цирконий - 0,01-0,05; титан - 0,5-2,5; церий - 0,002-0,02; иттрий - 0,001-0,01; лантан - 0,002-0,02; рений - 1,0-2,0; тантал - 4,0-6,0; никель - остальное.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к высокопрочным прецизионным сплавам на основе никеля для получения покрытий микроплазменным или холодным сверхзвуковым напылением.

Изобретение может быть использовано при получении сварных конструкций дуговой сваркой в защитном газе с применением электродной проволоки с флюсовым сердечником.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к сплавам для соединения кристаллов алмаза с металлами группы железа и сплавами на их основе, и может найти применение для изготовления одно- и многокристального алмазного инструмента.
Изобретение может быть использовано при контактной сварке оцинкованных сталей. Композиционный материал содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: титан 0,2-1,1, углерод 0,05-0,20, медь - остальное.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к твердому припою для высокотемпературной пайки нержавеющей стали. Порошок твердого припоя на железохромовой основе для высокотемпературной пайки основного материала из нержавеющей стали содержит, мас.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к составу для лазерной наплавки при нанесении покрытий в качестве защитных слоев на различные детали, эксплуатируемые в различных областях техники.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к присадочному материалу для соединения листов сваркой и может быть использовано в автомобильной промышленности для сварки тонкостенных листов автомобильных кузовов.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к присадочному материалу для сварки, который может быть использован при сварке роторов газовых турбин. Присадочный материал содержит, вес.%: C 0,05-0,15, Cr 8-11, Ni 2,8-6, Mo 0,5-1,9, Mn 0,5-1,5, Si 0,15-0,5, V 0,2-0,4, B 0-0,04, Re 1-3, Ta 0,001-0,07, N 0,01-0,06, Pd 0-60 ч./млн, P не более 0,25, S не более 0,02, железо и неизбежные примеси - остальное.

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к наплавляемому материалу и детали с наплавленным металлом и может быть использовано в технологическом устройстве, требующем высокие показатели сопротивления коррозии и сопротивления изнашиванию.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к металлу сварного шва, сформированному дуговой сваркой в защитном газе с применением электродной проволоки с флюсовым сердечником.

Изобретение относится к сварке, в частности к изготовлению порошков, используемых для плазменно-порошковой наплавки антифрикционных упрочняющих покрытий при изготовлении износостойких деталей.

Изобретение относится к способу соединения двух элементов посредством дуговой сварки вольфрамовым электродом в среде инертного газа (варианты). Свариваемые элементы состоят из самозакаливающегося стального сплава, например из материала T23 или T24. Между соединяемыми элементами создают стык, который расширяется, например, от внутренней стороны к наружной. Сначала на участке внутренней стороны наплавляют слой в корне шва. Затем наплавляют слой, примыкающий к слою корня шва, заполняя стык по меньшей мере на 90%. Наплавляют по меньшей мере один покрывающий слой, примыкающий к заполняющему слою, на участке с наружной стороны стыка. Используют силу тока сварки, при которой с внутренней стороны участка слоя в корне шва обеспечивается температура, соответствующая температуре AC3 для конкретного материала свариваемых элементов, или температура приблизительно 600°C или 700°C, или температура AC1 для каждого конкретного материала свариваемых элементов. Получают сварное соединение с высокой трещиностойкостью. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 10 ил.
Наверх