среднелегированный электрод для сварки высокопрочных сталей

Формула изобретения

Электрод для сварки высокопрочных сталей, включающий стержень из проволоки марки Св-03ХНЗМД или Св-07ХН3МД и электродное покрытие, содержащее мрамор, плавиковый шпат, кварцевый песок, ферросилиций, ферромарганец или марганец металлический, ферротитан и жидкое стекло натриевое, отличающийся тем, что электродное покрытие дополнительно содержит двуокись титана, алюминиевый порошок, окислы РЗМ и окислы железа при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Мрамор	37,0-52,0
Плавиковый шпат	18,0-26,0
Кварцевый песок	3,0-10,0
Двуокись титана	3,0-12,0
Ферросилиций	0,5-5,0
Ферротитан	5,0-14,0
Ферромарганец или марганец металлический	1,0-5,0
Окислы РЗМ	0,1-1,0
Окислы железа	0,2-3,0
Алюминиевый порошок	0,2-4,0
Жидкое стекло натриевое к массе сухой шихты	23,0-28,0,

при этом отношение содержания окислов РЗМ к содержанию окислов

железа составляет не более 0,5.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области производства сварочных материалов и может быть использовано в различных областях промышленности для сварки высокопрочных сталей с пределом текучести от 700 до 1000 МПа.

Известны электроды, используемые для указанной цели в соответствующих отраслях промышленности типа Н-1. Эти электроды не отвечают современным требованиям в части служебных характеристик таких, как прочность и ударная вязкость металла шва, кроме того, они склонны к образованию стартовых пор и обеспечивают в наплавленном металле повышенное содержание водорода.

Наиболее близким к заявочному электроду по назначению и составу компонентов и взятым в качестве прототипа является электрод марки Н-1 типа Э60 (Электроды для дуговой сварки сталей и никелевых сплавов, И.А.Закс, изд. СПб.: "WELCOME", 1996 г., стр.336, 337), состоящий из стержня-проволоки марки Св-08ХН2М и электродного покрытия, содержащего, мас.%:

Мрамор	54,0
Плавиковый шпат	18,0
Кварцевый песок	9,0
Ферромарганец (марганец металлический)	2,0
Ферротитан	14,0
Ферросилиций	3,0
Жидкое стекло натриевое к массе сухой шихты	28,0-30,0

Основными недостатками этих электродов является пониженная ударная вязкость металла шва при отрицательных температурах до минус 40°С, низкий уровень прочностных характеристик, высокое содержание диффузионного водорода в наплавленном металле, в связи с чем необходим предварительный подогрев кромок не менее 100°С, кроме того, электроды склонны к образованию стартовых пор.

Техническим результатом изобретения является создание электрода для сварки высокопрочных сталей, работающих при температурах до минус 40°С, обеспечивающего высокую прочность и ударную вязкость металла шва, низкое содержание диффузионного водорода и склонность к пористости.

Технический результат достигается тем, что электрод, состоящий из стержня-проволоки марки Св-03ХН3МД, Св-07ХН3МД и электродного покрытия, содержащего мрамор, плавиковый шпат, кварцевый песок, ферросилиций, марганец металлический, ферротитан и жидкое стекло натриевое, согласно изобретению дополнительно содержащего двуокись титана, алюминиевый порошок и совместную композицию окислов РЗМ и железа при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Мрамор	37,0-52,0
Плавиковый шпат	18,0-26,0
Кварцевый песок	3,0-10,0
Двуокись титана	3,0-12,0
Ферросилиций	0,5-5,0
Ферротитан	5,0-14,0
Ферромарганец (марганец металлический)	1,0-5,0
Окислы РЗМ	0,1-1,0
Окислы железа	0,2-3,0
Алюминиевый порошок	0,2-4,0
Жидкое стекло натриевое к массе сухой шихты	23,0-28,0

при этом отношение содержания окислов РЗМ к содержанию окислов железа должно быть не более 0,5.

Повышение сварочно-технологических характеристик электродов и снижение склонности металла шва к пористости объясняется введением в покрытие окислов РЗМ и железа и двуокиси титана, которые совместно с композицией мрамор - плавиковый шпат - кварцевый песок позволяют получать благоприятное формирование металла шва, самопроизвольную отделимость шлаковой корки и низкое содержание диффузионного водорода.

Введение в покрытие окислов РЗМ и железа приводит к уменьшению содержания диффузионного водорода в наплавленном металле и склонности к пористости. Увеличение содержания окислов РЗМ и железа в покрытии (более 4%) затрудняет производство сварки в положениях, отличных от нижнего и приводит к окислению легирующих элементов, при этом превышение отношения содержания окислов РЗМ к железу более 0,5 приводит к увеличению неметаллических включений и снижению вязкости металла шва.

Введение в покрытие двуокиси титана в количестве 3-12% и алюминиевого порошка от 0,2 до 4% позволяет получить, наряду с хорошими сварочно-технологическими свойствами и высокой стойкостью металла шва к порообразованию, гарантированное содержание 0,015-0,02% титана в металле шва, что способствует повышению ударной вязкости при отрицательных температурах. Увеличение содержания в покрытии двуокиси титана более 12% и алюминиевого порошка более 4% приводит к повышению содержания в металле шва титана и как следствие снижению механических характеристик металла шва. Совместное влияние компонентов покрытия позволяет получать металл шва с минимальным количеством дефектов и мелкозернистой бейнитно-мартенситной структурой, что позволяет обеспечить высокую ударную вязкость при температурах до минус 40°С.

Был проведен комплекс лабораторных и опытно-промышленных работ по изготовлению, испытанию и практическому опробованию электродов для сварки высокопрочных сталей. Были выполнены слитки стали марки Св-03ХН3МД или Св-07ХН3МД с химическим составом приведенным в таблице 1, из которых путем ковки с последующей прокаткой и волочением получены металлические стержни 4 мм.

Электроды были изготовлены в опытном производстве на установке для производства покрытых электродов швейцарской фирмы «Эрликон».

Опытные образцы электродов испытывались на высокопрочных сталях с пределом текучести более 800 МПа. Сварку производили на постоянном токе обратной полярности без предварительного подогрева. Режимы сварки были следующими: Iсв.=150-170А, Uд=22-24В, положение шва нижнее. Температура предварительного подогрева 50°С. Визуальный осмотр и радиографический контроль металла шва показал отсутствие недопустимых дефектов: трещин, непроваров, прожогов, крупных неметаллических включений.

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

Химический состав покрытий предлагаемого и известного сварочного электрода представлен в таблице 2. Данные сравнительных испытаний механических свойств металла шва представлены в таблице 3.

Таблица 1
Химический состав стали марки Св-03ХН3МД и Св-07ХН3МД
Марка проволоки	с	Si	Mn	Cr	Ni	Mo	Cu	S	Р
								не более
Св-07ХН3МД	0,04-0,09	Н.б. 0.2	0,3-0,6	0,85-1,10	2,8-3,2	0,5-0,65	0,8-1,15	0,012	0,015
Св-03ХН3МД	Н.б. 0,05	Н.б. 0,2	0,5-0,8	0,6-0,8	2,3-2,9	0,4-0,6	0,8-1,0	0,012	0,015

Таблица 2
Химический состав покрытий известного и заявленного электродов
Состав	№ состава	Состав покрытия, масс.%
		Плавиковый шпат	Кварцевый песок	Двуокись титана	Ферротитан	Ферросилиций	Ферромарганец (марганец мет)	Мрамор	Окислы РЗМ	Окислы железа	Отношение окислов РЗМ к окислам железа	Алюминиевый порошок	Жидкое стекло к массе сух. шихты
Заявляемый	1	18	10	12	5	5	5	37	1,0	3,0	0,33	4	23
	2	21	6	7	9	3	3	47	0,5	1,5	0,33	2	25
	3	26	3	3	14	0,5	1	52	0,1	0,2	0,50	0,2	28
Изв.	4	18	9		14	3	2	54					28-30

Таблица 3
Результаты сравнительных испытаний известных и заявляемых электродов
Состав	№	Механические характеристики металла шва						Кол-во пор (св. тавр. пробы)	Водород в см 3 на 100 г.н.м
		02, МПа	в, МПа	, %	Работа удара KV, Дж
					Т=0°С	Т=-20°С	Т=-40°С
Заявляемый	1	819	854	18	102	53	38	0	0,8
	2	810	848	17	93	64	45	0	0,6
	3	835	883	17	82	68	43	0	0,3
Изв.	4	530	660	17	80	45	35	8	1,8
Примечание:
1. Данные усреднены по результатам испытаний трех образцов на одну точку.

Результаты сравнительных испытаний показывают, что заявленный состав по сравнению с известным позволяет получить более высокие прочностные характеристики металла шва. Кроме того, заявленный электрод обеспечивает более низкое содержание водорода и отсутствие пор в металле шва и позволяет снизить температуру предварительного подогрева кромок.

Технико-экономический эффект от использования изобретения выразится в повышении надежности и долговечности конструкций, за счет повышения прочности металла шва и снижения пористости.