состав сварочной ленты и проволоки
Классы МПК: | B23K35/30 с основным компонентом, плавящимся при температуре ниже 1550°C C22C38/58 с более 1,5 % марганца по массе C22C38/52 с кобальтом |
Автор(ы): | Горынин И.В., Карзов Г.П., Галяткин С.Н., Михалева Э.И., Воловельский Д.Э., Морозовская И.А., Юрчак А.В., Волков В.В., Петров В.В., Серебренников Г.С. |
Патентообладатель(и): | Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей", Открытое акционерное общество "Ижорские заводы" |
Приоритеты: |
подача заявки:
2000-05-11 публикация патента:
27.08.2002 |
Изобретение относится к металлургии сложно легированных сварочных материалов для наплавки антикоррозионного покрытия изделий атомного энергомашиностроения. Предлагаемые материалы могут быть также использованы для антикоррозионной наплавки реакторов гидрокрекинга и сварки нефтехимического оборудования, а также других изделий ответственного назначения. Предлагается состав сварочной ленты и проволоки, содержащий массовую долю элементов, мас. %: углерод 0,01-0,025; кремний 0,17-0,35; марганец 1,3-1,7; хром 17,50-19,50; никель 10,00-11,00; ниобий 0,7-0,9; сера 0,003-0,010; фосфор 0,003-0,010; алюминий 0,01-0,05; азот 0,01-0,025; медь 0,01-0,04; свинец 0,0005-0,001; мышьяк 0,001-0,005; олово 0,001-0,005; сурьма 0,001-0,005; кобальт 0,01-0,05; РЗМ 0,05-0,10; железо остальное. Техническим результатом изобретения является создание высокотехнологичных коррозионно-стойких радиационно стойких сварочных материалов для наплавки покрытия, обладающего повышенной стойкостью против охрупчивания при температурах до 500oС в условиях интенсивного нейтронного облучения в контакте с водой высоких параметров по сравнению с существующими аналогами, что обеспечивает повышение эксплуатационной надежности и безопасности, а также общего ресурса работы корпусов реакторов атомных энергоустановок нового поколения. 4 з.п. ф-лы, 5 табл., 1 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5
Формула изобретения
1. Состав сварочной ленты и проволоки, содержащий железо, углерод, марганец, кремний, хром, никель, ниобий, серу, фосфор, отличающийся тем, что он дополнительно содержит медь, алюминий, свинец, олово, сурьму, мышьяк, азот, кобальт, РЗМ при следующем соотношении массовой доли элементов, %:Углерод - 0,01-0,025
Кремний - 0,17-0,35
Марганец - 1,3-1,7
Хром - 17,50-19,50
Никель - 10,00-11,00
Ниобий - 0,7-0,9
Сера - 0,003-0,010
Фосфор - 0,003-0,010
Алюминий - 0,01-0,05
Азот - 0,01-0,025
Медь - 0,01-0,04
Свинец - 0,0005-0,001
Мышьяк - 0,001-0,005
Олово - 0,001-0,005
Сурьма - 0,001-0,005
Кобальт - 0,01-0,05
РЗМ - 0,05-0,10
Железо - Остальное
2. Состав по п. 1, отличающийся тем, что суммарное содержание меди, свинца, олова, сурьмы и мышьяка не превышает 0,045. 3. Состав по п. 1, отличающийся тем, что суммарное содержание серы и фосфора не превышает 0,020. 4. Состав по п.1, отличающийся тем, что между хромовым и никелевым эквивалентами по диаграмме Шеффлера выполняется следующее соотношение:
[Сrэкв]-8[Niэкв]1,6[Сrэкв]-17,5,
где [Сrэкв]=%Сr+1,5%Si+0,5%Nb;
[Niэкв]=%Ni+30%C+30%N+0,5%Mn. 5. Состав по п. 1, отличающийся тем, что в качестве РЗМ применяются иттрий и церий.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к металлургии сложно легированных сварочных материалов, содержащих железо, хром, никель, углерод, марганец, ниобий, и может быть использовано при изготовлении изделий атомного энергомашиностроения, работающих при температурах до 500oС в условиях интенсивного нейтронного облучения в контакте с водой высоких параметров, а также изделий нефтяного машиностроения и других отраслей промышленности. Известны сварочные материалы - аналоги: а.с. 836194, 1981 г., СССР; а.с. 1232445, 1986 г., СССР; заявка 60-130496, 1987 г., Япония. Однако эти материалы характеризуются неудовлетворительным формированием наплавленного металла, низким уровнем гарантированных механических свойств после технологических отпусков (относительное сужение 35%, ударная вязкость, определенная на образцах Манеже, 400 кДж/см2), а также низкой стойкостью против коррозионного растрескивания под напряжением в водных средах в условиях повышенных температур и облучения. Наиболее близкой к предлагаемой сварочной ленте и проволоке по составу, свойствам и назначению, принятой за прототип, является сварочная лента марки Св-04Х20Н10Г2Б (ЭП-762) по ТУ 14-1-2270-77 со следующей массовой долей элементов, %:Углерод - Не более 0,04
Кремний - 0,20-0,45
Марганец - 1,80-2,20
Хром - 18,50-20,50
Никель - 9,00-10,50
Ниобий - 0,90-1,30
Сера - Не более 0,018
Фосфор - Не более 0,025
Железо - Остальное
Содержание ферритной фазы в стали - 5-8%
Этот материал в настоящее время широко применяется для антикоррозионной наплавки корпусов реакторов и оборудования типа ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 со сроком эксплуатации до 30 лет. Металл шва и наплавки, выполненный лентой и проволокой известного состава (Св-04Х20Н10Г2Б), не проявляет склонности к межкристаллитной и питтинговой коррозии, а также к коррозионному растрескиванию под напряжением в условиях облучения флюенсом до 61019 нейтр/см2 (Е>0,5 МэВ) при температуре (270340)oС. Однако исследования, выполненные в последние несколько лет, выявили стабильно низкое значение пластичности и ударной вязкости металла наплавки в исходном состоянии (после технологических отпусков) и существенное снижение указанных характеристик после облучения, что свидетельствует о его склонности к радиационному охрупчиванию и может привести к переходу наплавки в хрупкое состояние. Задачей настоящего изобретения является разработка состава сварочной ленты и проволоки для антикоррозионной наплавки, обладающей более высокой пластичностью и ударной вязкостью после технологических отпусков при температуре (640685)oС, а также после облучения при температуре (270340)oС при сохранении требуемой коррозионной стойкости и технологической прочности. Поставленная задача достигается оптимизацией содержания хрома, никеля, марганца, кремния, ниобия, серы, фосфора, а также введением алюминия, азота, меди, кобальта, свинца, олова, мышьяка, сурьмы, церия и иттрия при следующем соотношении массовой доли элементов, %:
Углерод - 0,01-0,025
Кремний - 0,17-0,35
Марганец - 1,3-1,7
Хром - 17,50-19,50
Никель - 10,00-11,00
Ниобий - 0,7-0,9
Сера - 0,001-0,010
Фосфор - 0,001-0,015
Алюминий - 0,01-0,05
Азот - 0,01-0,025
Медь - 0,005-0,04
Свинец - 0,0005-0,001
Мышьяк - 0,001-0,005
Олово - 0,001-0,005
Сурьма - 0,001-0,005
Кобальт - 0,01-0,05
РЗМ - 0,05-0,10
Железо - Остальное
при соблюдении следующих соотношений массовой доли элементов, %:
S+P<0,020 [1]
Cu+Pb+Sn+As+Sb<0,045 [2]
для повышения стойкости против теплового и радиационного охрупчивания, а также
[Crэкв.]-8[Niэкв.]1,6[Crэкв.]-17,5, [3]
где [Сrэкв.]=%Сr+1,5x%Si+0,5x%Nb,
[Niэкв.]=%Ni+30x%C+30x%N+0,5x%Mn
для обеспечения технологической прочности в процессе сварки и наплавки, которая достигается при содержании ферритной фазы в структуре стали в пределах 3-6%. Регламентированное содержание ферритной фазы в пределах 5-8% в стали для изготовления ленты известного состава (прототипе) задано исходя из необходимости обеспечения 2-8% ферритной фазы в наплавленном металле. На основании анализа статистических данных по механическим свойствам наплавки известного состава за 15 лет выявлено, что при содержании ферритной фазы в металле наплавки более 6% не всегда обеспечивается требуемый уровень пластичности и ударной вязкости наплавленного металла в исходном состоянии. Также известна негативная роль ферритной фазы в процессах теплового и радиационного охрупчивания. Экспериментально установлено, что с увеличением количества ферритной фазы (даже в пределах 2-8%) возрастает склонность наплавки к отпускному охрупчиванию, что выражается в снижении пластичности и уровня ударной вязкости. Расчет содержания ферритной фазы производился по диаграмме Шеффлера, представленной на чертеже . На диаграмме нанесены точки, соответствующие минимальным и максимальным значениям эквивалента хрома [Сrэкв.] и эквивалента никеля [Niэкв.] для разработанного состава; полученный прямоугольник включает все возможные значения содержания ферритной фазы. Там же нанесены прямые, соответствующие 3% и 6% ферритной фазы. Заштрихованная область удовлетворяет всем приведенным выше требованиям по химическому составу и соотношению [3]. Из основных легирующих элементов наиболее сильное влияние на снижение пластичности наплавленного металла после штатных отпусков оказывают хром в количестве более 19,5% и кремний, если его массовая доля составляет более 0,35%, а наличие ниобия более 0,9% приводит к существенному снижению пластичности даже без термообработки. В то же время кремний участвует в окислительно-восстановительных процессах, протекающих в сварочной ванне, и при его содержании менее 0,17% возможно образование пор в металле наплавки или шва. При содержании ниобия в ленте и проволоке менее 0,7% не обеспечивается стойкость против межкристаллитной коррозии наплавленного металла после технологических отпусков. Легирование РЗМ (иттрием и церием) в количестве до 0,10% повышает технологическую прочность при сварке и пластичность наплавленного металла за счет очищения границ зерен от элементов, способствующих отпускному и особенно радиационному охрупчиванию. При большем содержании РЗМ увеличивается сегрегация легкоплавких эвтектик примесей по границам зерен, что приводит к снижению пластичности наплавки. Ограничение содержания углерода и азота вызвано необходимостью снижения склонности металла наплавки к отпускному охрупчиванию за счет уменьшения количества карбидов и карбонитридов по границам зерен. При этом для обеспечения коррозионной стойкости наплавленного металла после технологических отпусков в области температур 650700oС и облучения стало возможным снизить содержание ниобия до 0,7-0,9%. Углерод и азот, являясь аустенитообразующими элементами, оказывают влияние на содержание ферритной фазы в металле наплавки и шва. Уменьшение содержания углерода и азота в составе сварочной ленты и проволоки вызвало необходимость ограничения содержания хрома не более 19,5% с целью получения не более 6% ферритной фазы в наплавленном металле, но не менее 17,5% с целью обеспечения стойкости против общей и межкристаллитной коррозии. Известно, что при выдержках в области температур 500700oС (что имеет место при технологическом отпуске) повышается концентрация кремния и олова на границах зерен, причем олово образует с никелем хрупкое соединение типа NiSn. Медь в количестве более 0,04% в условиях облучения повышает хрупкость металла наплавки. При содержании алюминия в количестве более 0,05% возможно образование межваликовых трещин за счет возникновения хрупких интерметаллидных фаз типа Ni3Аl. Наличие в металле мышьяка до 0,01%, сурьмы, олова, свинца до 0,005% каждого заметно ухудшает сопротивляемость наплавки радиационному охрупчиванию при температуре 288oС. Охрупчивающая способность элементов возрастает в последовательности
Р<Sn
Класс B23K35/30 с основным компонентом, плавящимся при температуре ниже 1550°C
Класс C22C38/58 с более 1,5 % марганца по массе