Керамический флюс для сварки низколегированной стали

. ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ПРИ ГКНТ СССР МИТЕТ ТКРЫТ ИСАНИ 30 ИДЕТЕЛЬСТВУ ВТОРСКОМ 1 ,2(61) 1088904, :. швов. Установлено, что коэффициент зайаса (21)4814307/08вязкости металла швов зависит бт неодно- (22)13.04,90: . . родности распределения кремния по телу (46) 15.12.92, Бюл, %46 зерна структуры составляющих шва. Кера- (71) Институт электросварки им, Е. О. Пато- мический флюс,-в дополнение к известному на,флюсу по авторскому свидетельству М (72) И. К, Походня, В, В, Головко, Д. М. Куш; содержит металлический хром в нерев, С. Д. Устинов, М, В, Борисов, количестве 03 - 1,0, Указанное содержа- В. Г. Гребенчук и В. И, Звирь . ние металлического Хрома во флюсе обеспе- (56)Авторское свидетельство СССР чивает равномерное распределение М 1470485, кл, В 23 К 35/362, 1986.кремния по телу зерна структурных составАвторское свидетельство СССРляющих низколегировайных швов, повышаМ 1726183, кл. В 23 К 35/362, 1990. .: ет коэФфициент запаса вязкости этих швов.Авторское свидетельство СССР " . Сварные швы, полученные с использованиМ 1088904, кл, В 23 К 35/362, 1989.,ем предлагаемого флюса, отличаются отсут-. ствием выпадов по ударной. вязкости при Б(54) КЕРАМИЧЕСКИЙ ФЛЮС ДЛЯ СВАРКИ температурах до минус 70 ОС. Основу флюса .НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ .составляет, мас,%: магнезит обожженный (57) Йзобретение относится к сварке в част- - 25 - 35; волластонит 12 - 24; ильменитовый ности, к керамическим флюсам для сварки концентрат 4 - 12;силикатмарганца 12 - 24;низколегированных сталей. Цель изобрете- . плавиковый шпат 6 - 10;.Ферромарганец ., ния - повышение стабильности ударной . 0;4-2,3;силикокальций 0,1-3,3;алюминивязкости, а также коэффициента вязкости и евый порошок 0,1. - 0,8 и 15 - 25 материала;дефектостойкости. При изготовлении тяже- содержащего не менее 90 О а -фазы и оклонагруженных сварных конструкций, раба- . сида алюминия. 4 табл,тающих при низких температурах, особоезначение имеет запас вязкости металла ООИзобретение относйтся к сварочным : ния металла шва и уменьшенйя гигроскоматериалам, точнее кфлюсам для механизи- пичности флюса в качестве компонентеврованной дуговой сварки, окислителей флюс содержит ильменитовыйИзвестен керамический флюс для свар- концентрат, и силикат марганца, а двуокись ) ки низколегировайнйх сталей, содержащий алюминия в виде материала, содержащего" магнезит обожженный, волластонит, плави- - не менее 90; а -фазы АЬОз, при следуюковый шпат, ферромарганец, силикокаль- щем соотношении компонентов, мас ций, алюминиевый порошок, двуокись . Магнезит обожженный 25 - 35 алюминия, компойенты-окислители, отлича- Волластонит.: : .12 - 24 ющийся тем, что с целью улучшения отдели-. Ильменитовый концентрат 4 - 12 мостишлаковой корки при.сварке в Силикатмарганца 12-24 глубокуюразделку, улучшение формирова- Плавиковый шпат 6 - 10Ферромаргайец 0,4 - 2,3Силикокальций 0,1 - 1,3Алюминиевыйпорошок 0,1 - 0,8Материал; содержащий не менее 90 5а-фазы А 120 з 15-25 мвас., причем суммарное содержание ильменитового концентрата й 1/2 силиката марганца составляет 10 - 20 мас,;О,; суммарное содержание ферромарганца, силикокальция и алюминиевого 10 порошка 1,5 - 2,5 мас,;(, а отношение суммарного содержания магнезита обожженного, а-фазы А 20 з и 1/2 волластонита к содержанию плавикового шпата составляет 6,0 - 8,6, 15Вышеуказанный флюс имеет хорошиесварочно-технологические свойства при сварке стыковых соединений и обеспечивает получение относительно высоких значений ударной вязкости металла швов при 20 температуре испытаний до минус 70 С,В результате широкой опытно-промышленной проверки этого флюса были выявлен следующий существенный недостаток.Флюс не обеспечивает требуемой стабиль ности показателей хладостойкости металла швов, При общем высоком уровне ударной вязкости при низких температурах на от-дельных партиях флюса наблюдаются выпады значений ан (Дж/см ) ниже допустимых ЗО значений, что снижает надежность сварных соединений и ставит под сомнение возможность применения данного флюса при изготовлении ответственных, например, мостовых металлоконструкций, где наличие 35 даже одного выпада по ударной вязкости металла шва является недопустимым.Показатель ударной вязкости являетсяхарактеристикой данного испытанного об- .разца металла. Уровень ударной вязкости 40 зависит от размеров образца, формы надреза, температуры испытания, массы ударно го инструмента копра, скорости егодвиженил и многих других факторов. Основным недостатком этого метода является то, 45 что он дает характеристику металла при ис. пытаниях в условиях, отличающихся от условий нагруженил реальных конструкций, Основной концепцией данного вида испытаний является рассмотрение образца ме , талла как однородного материала безвнутРенних дефектов.Опыт эксплуатации сварных конструк-.ций свидетельствует о том, что при повышении уровня вязкости металла шва 55 надежность работы сварного соединения не увеличивается. В металле швов многотонйой конструкции (например, мостовые металлоконструкции), имеющей большую протяженность сварных соединений, расположенных в различных пространственных положениях и подверженных действию циклических нагрузок в сочетании с низкими температурами эксплуатации, весьма высока вероятность образования микротрещин, которые могут привести к разрушению всей конструкции, С этой точки зрения надежность сварных соединений должна характеризоваться не усредненным уровнем ударной вязкости, а стабильностью этой характеристики, отсутствием отдельных выпадовРеальная структура металла состоит из отдельных зерен, прослоек между ними, со-держит частицы второй фазы и неметаллические включения. Накопленный в различных странах мира опыт работы сварных соединений в реальных условиях свидетельствует о том, что показатель ударной вязкости не может служить характеристикой надежности сварного соединения. При общем высоком уровне ударной вязкости в каком-либо обьеме металла, работающего в реальных условиях, имеется вероятность возникновения микротрещин, острота которой на несколько порядков больше, чем острота надреза на ударных образцах и располагаться она будет на межзеренной границе, а не в произвольно выбранном месте, как это делается на ударныхобразцах. В результате в металле может развиться трещина, которая, распространяясь, приведет к разрушению всей конструкции. Таким образом, нет смысла добиваться повышения ударной вязкоСти металла в целом, если нет уверенности в достаточной вязкости структуры, из которой этот металл состоит.С целью описания вязких свойств структуры в стандарты различных стран были введены испытания на раскрытие вершины трещины, При этом основной концепцией данного вида испытаний является рассмотрение металла с реальной структурой и заданным размером трещины. В этом случае можно определить запас вязкости структуры при развитии трещины, или предельные условия нагружения; при которых не будет катастрофического распространения трещины.Исследования показали, что при,испытании образцов, в которых заранее установлено отсутствие микротрещин, тем не менее возможны резкие выпады характеристик вязкости разрушения. Следовательно, даже пои удовлетворительных результатах испытаний образцов с наведенной трещиной ипри соблюдении условий максимальных допустимых нагружений конструкции, надежность сварных соединений не ыоиет бытьгарантирована, Установлено, что подобные выпады объясняются неоднородностьюструктуры металла. При этом усилия, значительно более низкие по сравнению с допустимыми, могут вызывать сдвиг зерен металла относительно друг друга и образование субмикротрещины, острота которой , сопоставима с параметром решетки, Вероятность подобных процессов возрастаетпри усилении неоднородности зерен металла. Способность структуры сопротивляться .образованию субмикротрещин на границах зерен не может быть описана при помощи ударной вязкости, Данная характеристикаописывается коэффициентом запаса вязкости (Кв) и коэффициентом дефектостойкости (02)Цельюизобретения является повышение стабильности показателей ударной вязкости металла швов, выполняемых под керамическим флюсом при емпе натуре испытаний до минус 70 С.Эта цель достигаетг тем, чта в состав флюса вводят металли;ский хрс л в количестве от 0,3 до 1,0 мас, а асталь алые компоненты берут в слецуощем состношении мас, о: магнезит обожженный 25 - 35; во- ластонит 12 - 24; ильменитовый кон,енто-т 4 - 12; силикат марганца 12 - 24; плаз;ковый шпат 6 - 10; феррамарганец 0,4 - 2,3: силикокальций 0,1 - 1,3; алюминиевый порошок 0,1 - 0,8;. электракорунд 15 - 25.Известно, что наиболее высокие значения ударной вязкости металла ьизколегированных швов обеспечивает структура игольчатого феррита (ИФ), В л;литературе описаны случаи, когда не удается.:олучить высоких и стабильных значен 1 й ударной вязкости, несмотря на пов.:щенное содержание в швах струк-уры Иф, Данные случаи нестабильности характеристик вязкости не находят объяснения в рамках 11 спальзуемых в настоящее время тео;ий разрушения.Оценку вязкости металла можно прсг водить на трех уровнях, Первый - оченьприблизительно, с большой вероятностью едйничных выпадов, - оценка ударной вязкости образца определенной формы при определен н цх условиях. Второй - оценкаспособности реальной структуры сопротивляться хрупкому распространению трещин.Третий - оценка способности реальной структуры сопротивляться образованию хрупкого скола. Соответственно методамиспытаний различаются и цели, которые достигаются при получении определенного уровня результатов, Это может быть либо обеспечение определенного уровня прочностных и пластических свойств металла для достижения заданной энергии раэруше 10 20 25 30 35 40 50 55 ния образца металла при ударном нагружении, либо обеспечение определенной способности структуры сопротивляться развитию трещины, либо обеспечение определенной способности структуры сопротивляться образованию хрупкого скола по границам зерен.Даже при самых высоких значенияхэтой характеристики, в реальных условиях возможен сдвиг по границам зерен, образование хрупкого скола, развитие субмикротрещин и дальнейшее подрастание ее до критических размеров. Даже единичный акт хрупкого микроскола по границам зерен 5 структуры составляющих может привести квыходу из строя многотонной конструкции.Задачей изобретения было не менятьструктуру металла с целью изменения его свойств, а снизить неоднородность в свойствах структурных составляющих для увеличения надежности всего сварногосоединения.Поставленная цель, - была достигнутаза счет снижения неоднородности распределения легирующих элементов и структурных составляющих шва. Достижение цели подтверждается отсутствием выпадов значений ударной вязкости, а также уровнем коэффициента дефектостойкости (02), которж отражает запас пластичности структуры, остаточный для того, чтобы микроскол вбл зи дефекта и последующее разрушение мета ла не могли бц возникнуть при деформации менее 2 О и коэффициента запаса гязкости Кв), показывающего на сколько г ритическое напряжение хрупкого разрушения, определенное из условий Гриффитса, ". ваышает предел текучести материала.В с "зи с тем, ч 1 ударнаявязкость являе -ся интегральйой характеристикой, изучение причин нестабильности хла;остойкости сварных швов и роизводили с и . пользованием структурно-детермини рава нцх критериев Кмс, Кв, О 2). Установлено, 5 что наличие выпадов значений ударной вязкости при -70 С ниже уровня 30 Дж/см объясняется малой величиной коэффициента запаса вязкостиф(Кв) и дефектостойкасти (02) металла швов. Обе эти характеристики в значительной мере зависят от напряжения микроскола (Вмс) структуры сварных швов.Металлографические исследования, выполненные на растровом электронном микроскопе в сочетании с энергодисперсным рентгеноспектральным анализом, позволили установить, чта низкие значения (Йис) объясняются высоким уровнем химической неоднородности на границах зерен игольчатого феррита, Особо заметное влияние на стойкость против хрупкого разрушения аказывает неоднородность распределениякремния.Были выполнены работы с целью изучения возможностей снижения уровня химической неоднородности кремния награницах зерен игольчатого феррита. В результате этих работ было установлено, чторавномерность распределения кремния, аследовательно и уровень Вмс, можно значительно повысить при легировании металласварочной ванны небольшим количествомхрома,Эксперименты по сварке узлов металлоконструкций были произведены под флюсом-прототипом, в состав которого вводилиразличное содержание металлического хрома (табл. 1).Изучалась стабильность значений ударной вязкости при отрицательныхтемпературах. Испытывались образцы сварныхсоединений при использовании проволокиСвГ 2, практически без.влияния основного металла, с целью определения стойкостийротив хрупкого разрушения с помощьюкритериев физики разрушения. Результаты этих исследований приведены в таблицах 2 - 4.Установлено, что оптимальным является содержание во флюсе 0,3 - 1,0 мас.%. металлического хрома.Как видно из приведенных в этих табл,данных, содержание во флюсе магнезитасвыше 35 мас.% или корунда менее 15мас,% приводит к формированию сварныхшвов с высотой усиления более 3,0 мм, Такой шов является недопустимым концентратом напряжений в сварном соединении.При сварке под флюсом, содержащим менее25 мас.% магнезита или более 25 мас.%корунда резко ухудшается формированиеметалла шва и отделимость шлаковой корки. Плохое формирование сварного шваполучается также и при сварке под флюсом,содержащим менее 12 мас.% волластонитаили силиката марганца. При повышенномсодержании каждого из этих компонентовво флюсе (свыше 24 мас.%) увеличиьаетсяобъемная доля неметаллических включенийв наплавленном металле, о чем можно судить по содержанию кислорода (см. табл, 2).В этих случаях наплавленный металл имеетнизкий уровень ударной вязкости и большое количество выпадов ниже уровня 28Дж/см (см, табл,3). Флюс, имеющийсодер жание ильменитового концентрата менее 4мас.% или плавикового шпата свыше 10мас.% формирует сварной шов с отдельнымиутяжинами и подрезами, а при содержании ильменитового концентрата свыше 12мас,% в наплавленном металле возрастаетсодержание неметаллических включений, в результате чего снижается его ударная вязкость, появляется выпады по этой характеристике ниже допустимого уровня. Введение в состав флюса плавикового шпата в количествах менее б мас,% приводит к формированию сварных швов с высотой усиления более 3,0 мм,При введении в состав флюса ферромарганца в количестве свыше 2,3 мас.% воз 5 10 45 критериев физики разрушения показывает низкое сопротивление его микросколу, ма-. лые значения коэффициентов запаса вязко-. сти и дефектостойкости, увеличение количества выпадов по показателю ударной вязкости, При введении в состав флюса ме 50 таллического хрома в количестве свыше 1,0 мас,% повышается прочность наплавленного металла и снижается дефектостойкость,На основании проведенных экспериментов нами установлено, что с целью 55 обеспечения хороших сварочно-технологических свойств флюса в сочетании с возможностью получения высоких значений ударной вязкости металла шва при температуре испытания до минус 70 С и отсутствии растает прочностные характеристики наплавленного металла и снижаются коэффициенты дефектостойкости и запаса вязкости (см, табл. 3), а при содержании во.15 флюсе менее 0,4 мас.% ферромарганцапрочность образцов наплавленного металла невегика, коэффициент дефектостойкости не превышает 0,3, а количество выпадов значений ударной вязкости составляет 7 20 мас,%. Металл, направленный под флюсом,содержащим менее 0,1% силикокальция или алюминиевого порошка, имеет повышенное содержание кислорода (см. табл. 2), входящего в состав неметаллических вклю чений. При испытании образцов металла наударный изгиб отмечено наличие выпадов ниже допустимого уровня. Введение в состав флюса силикокальция или алюминиевого порошка свыше 1,3 мас,% или 0,8 30 мас,% соответственно, приводит к увеличению содержания кремния в наплавленном металле, увеличению неоднородности его распределения в структурных составляющих шва, что сказываетСя на заметном сни жении коэффициента дефектостойкости,увеличению количества выпадов по величине ударной вязкости. Введение в состав флюса хрома металлического позволяет снизить данную неоднородность распреде ления кремния. Введение в состав флюсахрома металлического в количестве менее 0,3 мас.% не оказывает достаточного влияния на этот процесс, В этом случае анализ наплавленного металла с использованием1780968 10 выпадов по 2 этому показателю ниже уровня28 Дж/см, компоненты флюса должныбыть взяты в следующем соотношении.Силикат марганцаЭлектрокорундШпат плавиковыйФерромарганецСиликокальцийПорошокалюминиевый 0,1 - 0,8Хром металлический 0,3 - 1,0 Как видно из приведенных данных, введение во флюс по авторскому свидетельству М 1088904 хрома металлического в количестве 0,3 - 1,0 мас.% позволяет существенно 5 увеличить запас вязкости и дефектостойкости сварных швов,.а следовательно, и надежность всей сварной конструкции в целом.Формула изобретения 10 Керамический флюс для сварки низколегированной стали по авт, св. В 1088904, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения стабильйасти ударной вязкости, коэффициента вязкости и коэффициента де фектостойкости, состав дополнительно содержит металлический хром в количестве 0,3 - 1,0%. 4 - 1212 - 2415 - 256 - 100,4 -2,30,1 - 1,3 Сос тав опытных флюс ов Массовая доля /ф коцпонента во флюсеаименование компонен тов 10 11 12 5 1 6. 13 2 34 28, 25 ЕВ 12 6 в О,з 1,2 0,8 0,7 312 15 16 16 12 7 2,3 О,Е О,Е О,з 37 14 в 16 4 в О;8 0,5 0,7 28 20 25 о 3 П 1,4 0,5 О,Е 1,0 31 15 16 16 12 6 2,3 О,О 5 0,15 ЗЕ 15 6 16 12 5,6 2,5 0,55 0,05 1,3 Фгнезит обозленныйКорунд электроплавленннйСиликат марганцаВоллас тони тонцентрат ильценитовнййпат плавиковыййерромаргенецСиликокельцийПорошок алшиниевыйХром металлический 27 21 12 о 4 ЕО 1;О 0,5. О,.Г 0,4 33,5 22,5 12 16 4 9 0,4 1,3 о,в 0,5 32,72512128во,в0,2 .О,з 23 29 20 8 6 5 О,6 О,4 0,5 25 15 14 25 14 4 О,4 1;5 1;О о,35 20,7 12 4 8 0,5 05 0,3 2518,5241680,41,0 Таблица 2 Химический состав наплавлен ного металла Массовая оля / / в металле Флюс О 0,30 О,ЗЗ .0,25 0,37 0,22 0,350,35 : 0,320,31 0,46 0,27 . 0,35 045 1235,68910111780968 Таблица 3 Механические свойства наплавленного металла Табл и ц Сварочно-технологичеСкие свойства флюсо П р и меча н и е; Оценка отделимости шлака и формирования шва вБ-.тй бальной системе, а вйсота уСиления дана в мм. ыполнялось и и.; Составитель В. Головко Техред М.МоргенталРедактор С. Кулакова ор ректор Производственно-издательский комбийат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина,К С. Патруш, Заказ 4239": . : Тираж , ПодпйсноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при Г113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/б