легированный электрод для сварки теплоустойчивых сталей

Формула изобретения

Легированный электрод для сварки теплоустойчивых сталей, включающий стальной стержень и электродное покрытие, содержащее мрамор, концентрат плавикошпатовый, кварцевый песок, ферросилиций, ферротитан, ферромарганец, отличающийся тем, что электродное покрытие дополнительно содержит двуокись титана при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Мрамор	25-40
Концентрат плавикошпатовый	20-33
Ферромарганец	3-5
Ферротитан	5-10
Ферросилиций	4-5
Песок кварцевый	10-15
Двуокись титана	5-20

а стальной стержень выполнен из проволоки, содержащей компоненты в следующем соотношении, мас.%:

Углерод	0,03-0,06
Кремний	0,12-0,35
Марганец	0,4-0,7
Хром	1,8-2,2
Молибден	0,5-0,7
Никель	0,05-0,25
Сера	0,006-0,01
Фосфор	0,006-0,01
Олово	0,001-0,005
Сурьма	0,001-0,008
Мышьяк	0,001-0,01
Железо	Остальное

при этом суммарное содержание в проволоке S и P не превышает 0,018%, а суммарное содержание As, Sb и Sn не превышает 0,016%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области производства сварочных материалов и может быть использовано в различных областях промышленности для сварки легированных теплоустойчивых хромомолибденовых сталей, работающих при температуре плюс 450°С.

За рубежом для сварки теплоустойчивых хромомолибденовых сталей типа 2,25Cr-1Mo используются сварочные электроды по составу наплавленного металла, близкие к основному металлу с ограниченным содержанием серы и фосфора (например, фирмы ESAB-OK 76.28) [4], содержащего (мас.%):

Углерод	не более 0,05
Кремний	0,3
Марганец	0,7
Хром	2,3
Молибден	1,0
Сера	0,012
Фосфор	0,012

Для указанной цели в тепловой и атомной энергетике используются электроды типа Э-05Х2М. Эти электроды не отвечают современным требованиям, которые предъявляются к металлу шва по содержанию фосфора и серы, приводящих к повышению критической температуры хрупкости (Тк_о ), в т.ч. после длительной эксплуатации при температурах +450°С.

Наиболее близким к заявочному электроду по назначению и составу компонентов, взятому в качестве прототипа, является электрод марки Н-10 ("Электроды для дуговой сварки сталей и никелевых сплавов". И.А.Закс, изд. СПб: WELCOM, 1996 г., стр.68, 162, 165), состоящий из стержня проволоки марки Св-04Х2МА, содержащей (мас.%):

Углерод	не более 0,06
Кремний	0,12-0,35
Марганец	0,4-0,7
Хром	1,8-2,2
Никель	не более 0,25
Молибден	0,5-0,7
Сера	0,020
Фосфор	0,025
Мышьяк	не более 0,08
Железо	остальное

и электродного покрытия, содержащего (мас.%):

Мрамор	54,0
Концентрат плавикошпатовый	18,0
Ферромарганец	2,0
Ферротитан	14,0
Ферросилиций	3,0
Песок кварцевый	9,0
Стекло натриевое жидкое	26-32

Основным недостатком этих электродов является склонность к тепловому охрупчиванию металла шва в процессе эксплуатации при температурах более 450°С, а также склонность к образованию пор в процессе сварки.

Техническим результатом изобретения является создание электрода для сварки легированных теплоустойчивых хромомолибденовых сталей, работающих при температурах до плюс 450°С, обеспечивающего высокую стойкость металла шва к тепловому охрупчиванию и повышению сварочно-технологических характеристик при сварке - повышению стойкости к образованию пор в металле шва.

Технический результат достигается тем, что для стержня электрода используется электродная проволока, содержащая: углерод, кремний, марганец, хром, молибден, никель с ограниченным содержанием серы, фосфора, олова, сурьмы, мышьяка при следующем соотношении элементов, мас.%:

Углерод	0,03-0,06
Кремний	0,12-0,35
Марганец	0,4-0,7
Хром	1,8-2,2
Молибден	0,5-0,7
Никель	0,05-0,25
Сера	0,006-0,01
Фосфор	0,006-0,01
Олово	0,001-0,005
Сурьма	0,001-0,008
Мышьяк	0,001-0,01
Железо	Остальное,

при этом суммарное содержание в проволоке S и P не превышает 0,018%, суммарное содержание As, Sb и Sn не превышает 0,016%.

В электродное покрытие дополнительно введена двуокись титана, увеличено содержание ферромарганца, ферросилиция за счет ограничения ферротитана мрамора и концентрата плавикошпатового при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Мрамор	25-40
Концентрат плавикошпатовый	20-33
Ферромарганец	3-5
Ферротитан	5-10
Ферросилиций	4-5
Песок кварцевый	10-15
Двуокись титана	5-20

Ограничение содержания цветных примесей, а также серы и фосфора в сварочной проволоке позволяет обеспечить металлу шва высокое сопротивление хрупкому разрушению. Комплексное легирование наплавленного металла сильным элементом-раскислителем кремнием через электродное покрытие за счет ферросилиция и песка кварцевого позволяет снизить порообразование в металле шва при сварке.

Кроме того, повышение сварочно-технологических характеристик электродов и снижение склонности металла шва к пористости обеспечивается введением в покрытие двуокиси титана, которая позволяет получать самопроизвольную отделимость шлаковой корки и более низкое содержание диффузионного водорода.

Был проведен комплекс опытно-промышленных работ по изготовлению, испытанию и практическому опробованию электродов для сварки легированных теплоустойчивых хромомолибденовых сталей. Была выполнена вакуумно-индукционная плавка стали марки 04Х2МАА-ВИ с химическим составом, приведенным в таблице 1, из которой путем ковки с последующей прокаткой и волочением была получена проволока диаметром 4 мм.

Опытные образцы электродов были изготовлены на ОАО "Машиностроительный завод "ЗиО-Подольск".

Опытные образцы электродов испытывались при сварке теплоустойчивой стали марки 10Х2М. Сварку производили в нижнем положении на постоянном токе обратной полярности с предварительным подогревом при температуре плюс 100-150°С, Iсв=110-150 А. Визуальный осмотр и радиографический контроль металла шва сварных проб показал отсутствие недопустимых дефектов: пор, трещин, непроваров, прожогов.

Из металла сварных швов, полученного электродами предлагаемого и известного составов, изготовлены и испытаны образцы для определения химического состава и механических свойств, критической температуры хрупкости.

Химический состав наплавленного металла известного и заявленного электродов представлен в таблице 1.

Состав покрытий заявленного и известного сварочного электрода представлен в таблице 2. Данные сравнительных испытаний механических свойств металла шва представлены в таблице 3.

Результаты сравнительных испытаний показывают, что заявленный состав по сравнению с известным (Тк_о=0°С) позволяет получать металл шва с более низкими значениями критической температуры хрупкости (Тк_о=-20÷-22°С) при обеспечении более высоких сварочно-технологических характеристиках электродов и отсутствия пор в металле шва.

Технико-экономический эффект от использования изобретения выразится в повышении надежности и долговечности конструкций за счет повышения сопротивления хрупкому разрушению в процессе длительной эксплуатации энергетического оборудования, работающего в условиях повышенных температур, а также снижения трудозатрат за счет исключения работ по зачистке и ремонту сварных швов.

Таблица 1
Химический состав известного и заявленного стержня для электродов
Состав	Химический состав, мас.%	Выполнение соотношения
C	Si	Mn	S	P	Cr	Ni	Mo	As	Sb	Sn	S+P	As+Sb+Sn
Заявляемый	0,04	0,27	0,65	0,005	0,004	2,2	0,03	0,66	0,001	0,005	0,001	0,009	0,007
Известный	0,06	0,15	0,56	0,020	0,015	1,9	0,08	0,53	0,05	-	-	0,035	0,05

Таблица 2
Химический состав покрытий известного и заявленного электродов
Состав	№	Состав покрытия, мас.%
Мрамор	Концентрат плавикошпатовый	Ферромарганец	Ферротитан	Ферросилиций	Песок кварцевый	Двуокись титана
Заявляемый	1	40	33	3	5	4	10	5
2	31	30	4	7	4,5	13	10
3	25	20	5	10	5	15	20
Известный		54,0	18,0	2,0	14,0	3,0	9,0	-

Таблица 3
Результаты сравнительных испытаний известных и заявляемых электродов
Состав	№	Механические характеристики металла шва	Сварочно-технологические характеристики
02, МПа	в, МПа	5, %	, %	Критическая температура хрупкости, °С	Сдвиг критической температуры хрупкости вследствие теплового старения, Тт, °С	Отделимость шлака	Количество пор на участке длиной 100 мм
+20	+450	+20	+450	+20	+450	+20	+450	Исходное состояние Тко, °С	После теплового старения, Ткт, °С
Заявляемый	1	491	378	618	435	21	18	75	79	-20	-20	0	Самоотделимость	0
2	480	370	600	425	20	17	75	80	-24	-22	2	Самоотделимость	0
3	485	374	610	430	22	17	70	80	-22	-22	0	Самоотделимость	0
Известный		480	371	605	422	15	13	55	65	0	+20	20	Удовл. 80%	16
Примечание:
Данные усреднены по результатам испытаний трех образцов на одну точку.