Сварочная проволока для сварки высоконикелевых сплавов

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 950^оC. 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 950^оC. 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 А_кр, 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 (А_кр), 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 А_кр 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 А_кр).

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