сварочная проволока для автоматической сварки теплоустойчивых сталей перлитного класса

Формула изобретения

Сварочная проволока для автоматической сварки теплоустойчивых сталей перлитного класса, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, титан, ванадий, алюминий, медь, кислород, олово, сурьма, мышьяк, кобальт, азот, сера, фосфор, свинец и железо, отличающаяся тем, она дополнительно содержит ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,13-0,18	Кислород	0,001-0,005
Кремний	0,15-0,40	Олово	0,0001-0,001
Марганец	0,30-1,20	Сурьма	0,001-0,008
Хром	1,5-2,5	Мышьяк	0,001-0,01
Никель	0,01-0,20	Кобальт	0,005-0,02
Молибден	0,4-1,2	Азот	0,003-0,015
Титан	0,01-0,15	Сера	0,001-0,006
Ванадий	0,05-0,25	Фосфор	0,001-0,006
Алюминий	0,005-0,05	Свинец	0,001-0,01
Медь	0,01-0,06	Железо	остальное,
Ниобий	0,001-0,01

при следующих ограничениях по соотношению элементов в сварочной проволоке:

(0,3Cr+5V+12Nb)/C 13.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к производству сварочных материалов и может быть использовано для автоматической сварки теплоустойчивых сталей перлитного класса при изготовлении изделий в нефтехимии и атомном энергетическом машиностроении.

Для обеспечения надежности и долговечности оборудования металл сварного шва должен обладать комплексом технологических и служебных свойств: высокой прочностью и пластичностью, низкой температурой хрупковязкого перехода (Т_к0), стойкостью против тепловой хрупкости.

Значительная часть нефтехимического и энергетического оборудования изготавливается из теплоустойчивой стали 15Х2МФА, ТУ 108-131-86, которая содержит 2,5-3,0% Cr, 0,6-0,8% Mo, 0,25-0,35% V, обладает высокой прочностью и пластичностью при температуре эксплуатации до 450°C. Для сварки этой стали предусматривается применение сварочной проволоки марки Св-10ХМФТУ по ТУ 14-1-4914-90, содержащая в своем составе:

Углерод	0,07-0,12	Сера	не более 0,012
Кремний	не более 0,35	Фосфор	не более 0,010
Марганец	0,4-0,7	Никель	не более 0,3
Хром	1,4-1,8	Медь	не более 0,06
Титан	0,05-0,12	Алюминий	не более 0,05
Молибден	0,4-0,6	Азот	не более 0,015
Ванадий	0,20-0,35	Железо	Остальное

Наиболее близким к заявленному составу является состав сварочной проволоки по патенту Российской Федерации RU 2194602 C2, прототип, имеющий следующие ингредиенты, %

Углерод	0,07-0,12	Кислород	0,001-0,005
Кремний	0,15-0,40	Олово	0,0001-0,001
Марганец	0,30-1,20	Сурьма	0,001-0,008
Хром	1,5-2,5	Мышьяк	0,001-0,01
Никель	0,01-0,20	Кобальт	0,005-0,02
Молибден	0,4-1,2	Азот	0,003-0,012
Титан	0,01-0,15	Сера	0,001-0,006
Ванадий	0,05-0,25	Фосфор	0,001-0,006
Алюминий	0,005-0,05	Свинец	0,001-0,01
Медь	0,01-0,06	Железо	Остальное

В настоящее время наблюдается тенденция к повышению рабочих параметров установок глубокой переработки нефтепродуктов с целью повышения их КПД, а именно увеличения давления и температуры до 450°C. При этом в основном металле, применяемом, в настоящее время, снижение прочностных характеристик при увеличении рабочих температур до 450°C практически не наблюдается. В то же время, в металле сварного шва, выполненного упомянутыми сварочными материалами при повышении рабочей температуры до 450°C, наблюдается значительное падение прочностных характеристик.

Недостатком указанного состава являются низкие прочностные характеристики при температурах эксплуатации нефтехимического оборудования 400-450°C.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение прочностных характеристик металла сварных швов при рабочих температурах до 450°C, с сохранением стойкости металла шва к тепловому охрупчиванию и высокого уровня пластичных и вязких характеристик.

Технический результат достигается изменением соотношения легирующих элементов, введением дополнительно в состав заявляемой сварочной проволоки ниобия и увеличением содержания углерода.

Предлагается состав сварочной проволоки, содержащий, мас.%:

Углерод	0,13-0,18	Кислород	0,001-0,005
Кремний	0,15-0,40	Олово	0,0001-0,001
Марганец	0,30-1,20	Сурьма	0,001-0,008
Хром	1,5-2,5	Мышьяк	0,001-0,01
Никель	0,01-0,20	Кобальт	0,005-0,02
Молибден	0,4-1,2	Азот	0,003-0,015
Титан	0,01-0,15	Сера	0,001-0,006
Ванадий	0,05-0,25	Фосфор	0,001-0,006
Алюминий	0,005-0,05	Свинец	0,001-0,01
Медь	0,01-0,06	Железо	Остальное
Ниобий	0,001-0,01

Нормирование содержания легирующих элементов выполнено таким образом, чтобы металл сварного шва после соответствующих технологических отпусков обеспечивал требуемый уровень важнейших механических свойств. Кроме того, для избежания повышенного охрупчивания при технологических отпусках и эксплуатации сварных конструкций вводится следующее соотношение:

(0,3Cr+5V+12Nb)/C 13

Увеличение прочностных характеристик достигается за счет повышения углерода в металле шва. Высокое содержание углерода обеспечивает получение закалочных структур и увеличение объемной доли карбидной фазы, что обеспечивает необходимые прочностные характеристики. При содержании углерода в проволоке более 0,18% наблюдается значительное снижение пластических и вязких характеристик металла сварного шва. Уменьшение содержания углерода менее 0,13% приводит к снижению прочностных характеристик металла шва при рабочих температурах, ниже требуемого уровня.

Как правило, повышение прочностных характеристик ведет к снижению вязких и пластических показателей металла шва. Для предотвращения этого явления металл шва модифицируется ниобием. В указанных пределах такое легирование способствует возникновению дополнительной мелкодисперсной фазы (карбиды ниобия) и измельчению зерен, увеличению протяженности их границ и, как следствие, более равномерному распределению примесей по объему. Дальнейшее повышение содержания ниобия приводит к укрупнению карбидов ниобия, что приводит к значительному охрупчиванию металла шва в ходе послесварочных отпусков и эксплуатации при рабочих температурах. При содержании ниобия в металле шва менее 0,001% его влияние практически не прослеживается.

На основании экспериментальных исследований было установлено оптимальное соотношение между углеродом и такими карбидообразующими элементами как хром, ванадий и ниобий, которое позволяет обеспечить высокую стойкость металла к тепловому охрупчиванию:

(0,3Cr+5V+12Nb)/C 13

Невыполнение этого соотношения приводит к сильному охрупчиванию металла шва в результате длительных тепловых выдержек за счет того, что со временем легирующие элементы, не связанные в прочные карбиды, образуют хрупкие межзеренные интерметаллидные прослойки.

Таким образом, задача создания нового состава сварочной проволоки заключается в оптимизации содержания легирующих элементов с целью обеспечения высоких прочностных характеристик при температуре эксплуатации сварных конструкций (400-450°C) и стойкости к охрупчиванию под воздействием длительных тепловых выдержек на металл сварных швов при сохранении требуемых характеристик вязкости и пластичности.

При легировании сварочной проволоки вне заданных пределов, в соответствии с заявленными, состав сварочной проволоки становится неоптимальным, что проявляется в усилении склонности к тепловому охрупчиванию, или снижению характеристик прочности, пластичности и вязкости металла шва.

На производственной базе ОАО «МЗ «Электросталь» ЦНИИ КМ "Прометей" провел комплекс лабораторных и опытно-промышленных работ по выплавке, пластической обработке и изготовлению опытной партии сварочной проволоки. Во ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» были изготовлены сварные пробы в натурном сечении из стали марки 15Х2МФА и проведены их испытания.

Химический состав исследованных материалов, а также результаты определения необходимых механических и служебных свойств металла шва и основного металла представлены в табл. № 2-5.

Из приведенных таблиц видно, несоблюдение соотношения в химическом составе проволоки карбидообразующих элементов и углерода ведет к значительному охрупчиванию металла шва после тепловых выдержек «Step Cooling», а при снижении содержания углерода ниже заявленного предела предел прочности при рабочих температурах не отвечает предъявляемым требованиям. В то же время превышение содержания ниобия привело к значительному снижению вязких и пластических свойств по сравнению с заявленными пределами.

Ожидаемый технико-экономический эффект от использования нового состава сварочной проволоки для изготовления корпусов нефтехимического оборудования с высокими рабочими параметрами выразится в повышении КПД оборудования при обеспечении его повышенной безопасности.

Таблица 1
Требования, предъявляемые к механическим свойствам металла сварных швов, установок с повышенными рабочими параметрами.
	+20°C	+450°C	Критическая температура хрупкости Тк0
в	0,2			в	0,2
МПа	%	МПа	%	°C
Требования к сварному шву	585	415	18	45	461	392	14	50	-18

Таблица 2
Химический состав плавок
№ плавки	Массовая доля элементов, %
С	Si	Mn	Cr	Ni	Mo	Ti	V	Cu	Al	Nb	N
1	0,20	0,32	0,25	1,6	0.01	0,35	0,07	0,06	0,02	0,007	0,0003	0,007
2	0,16	0,40	1,20	2,5	0,20	1,20	0,15	0,25	0,06	0,050	0,0100	0,015
3	0,18	0,25	0,98	1,9	0,14	0,83	0,09	0,18	0,04	0,010	0,0080	0,005
4	0,13	0,15	0,30	1,5	0.01	0,40	0,01	0,05	0,01	0,005	0,0010	0,003
5	0,11	0,30	0,85	2,4	0,15	0,93	0,10	0,23	0,02	0,007	0,0130	0,007
6 (прототип)	0,10	0,28	0,80	2,0	0,15	0,80	0,08	0,30	0,02	0,010	-	0,010
№ плавки	Массовая доля элементов, %
Sb	Sn	As	Co	S	P	O	Pb	Fe	(0,3Cr+5V+12Nb)/C 13
1	0,002	0,0002	0,004	0,006	0,002	0,002	0,002	0,002	Остальное		3,91
2	0,008	0,0010	0,010	0,020	0,006	0,006	0,005	0,01		13,00
3	0,002	0,0020	0,005	0,010	0,003	0,005	0,002	0,006		8,33
4	0,001	0,0001	0,001	0,005	0,001	0,001	0,001	0,001		5,47
5	0,003	0,002	0,005	0,010	0,001	0,002	0,003	0,002		18,42
6 (прототип)	0,004	0,0005	0,005	0,015	0,004	0,003	0,003	0,005		-

Таблица 3
Механические свойства металла шва
№ плавка	Механические свойства	Тк0
Тисп=+20°C	Тисп=+450°C
в	0,2			в	0,2
МПа	МПа	%	%	МПа	МПа	%	%	°C
1	720	650	12,5	47,5	590	550	12,0	43,0	+10
	700	640	13,0	48,0	610	550	11,0	40,0
2	700	580	16,5	58,0	590	450	15,0	52,5	-18
	710	590	15,5	57,0	590	460	15,5	53,0
3	650	510	23,5	71,0	530	425	20,3	62,0	-30
	635	500	24,0	72,5	540	425	19,5	59,5
4	600	480	22,0	64,0	500	410	18,5	57,0	-25
	590	475	22,5	65,0	495	405	18,5	55,0
5	580	430	18,0	62,0	430	345	19,5	62,0	+5
	580	460	17,5	65,5	425	320	19,5	60,0
6	590	452	24,8	69,5	410	325	21,0	61,0	-25
(прототип)	580	450	24,0	75,0	410	335	23,0	65,0

Таблица 4
Механические свойства основного металла (15Х2МФА)
№ плавка	Механические свойства	Тк0
Тисп=+20°C	Тисп=+450°C
в	0,2			в	0,2
МПа	МПа	%	%	МПа	МПа	%	%	°C
С-20023	680	590	25,4	72	550	450	20	61	-20
	680	580	26,0	72	540	440	20	60

Таблица 5
Значения критической температуры хрупкости Тк0 металла шва и основного металла до и после Step Cooling, сдвиг Т к0 в результате тепловых выдержек
№ плавки	Значения Тк0	Тк0
После сварки и высокого отпуска	После тепловых выдержек
1	+10	+15	5
2	-18	-8	10
3	-30	-25	5
4	-25	-20	5
5	+5	+35	30
6 (прототип)	-25	-15	10
Основной металл	-20	-5	15