Шихта порошковой проволоки

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИРЕСПУБЛИН 191 1 И 4 В 23 К 35 36 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ВИ ЕТЕЛЬСТВ ВТОРСК 29 кий х оваА,В анов 8 8) хин,ССР4. ель 6(54) ШИХТА ПОРОШКОВО (57) Изобретение отн сварки и может найти ОВОЛОКИ осится к областиприменение привых проволок (ПП)Уанизированнойых сталейЦелью изготовлении порошко используемых для мех сварки конструкционн изобретения является рочно-технологически повышение свасвойств ПП,ГОСУДАРСТ 8 ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(21) 3998359/31-27 (22) 30.12.85 (46) 07,08.87. Бюл. (71) Уральский поли институт им.С.М.Кир (72) А.С.Табатчиков Л,Н.Бармин и П.И.Ив (53) 621.791.04 (08 (56) 1,Авторское св Р 529034, кл. В 232.Авторское свид Р 755480, кл. В 23 прочностных и пластических свойств металла шва при пониженном уровне остаточных напряжений и деформаций в сварных конструкциях. Добавление в состав шихты, содержащей, мас.7: никель 16-23; хром 1-3,5; ферромолибден 1,5-3,5; феррованадий 1-1,5; ферросилиций 2-4; марганец 6-10; .ферроиттрий 1-2; рутиловый концентрат 7- 14; флюорит 7-17; кремнефтористый натрий 2-4; железный порошок - остальное, ферробора 0,05-1; ферротитана 0,5-4 мрамора 2-5 и поташа 1,5- 3,5 мас.Х, обеспечивает повышенйые сварочно-технологические свойства ПП (сопротивляемость образованию го- срячих трещин в 1, 1-1,3 раза выше). Ударная вязкость сварного шва увели" чивается в 1, 1-1,2 раза, остаточные напряжения в шве и околошовной зоне ( понижаются в 1, 1-2 раза. 4 табл, 1328124Изобретение относится к области сварки, предназначено преимущественно для сварки конструкционных сталей с дополнительной защитой углекислым газом и обеспечивает получение сварных швов с высокими прочностными и пластическими свойствами и низким уровнем остаточных напряжений без проведения термообработки.Цель изобретения - повышение сварочно-технологических свойств порошковой проволоки, прочностных и пластических свойств металла шва при пониженном уровне остаточных напряже- ний и деформаций в сварных конструкциях.Шихта может быть использована какнаполнитель порошковых проволок для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей, в частности, для сварки продольных швов труб, кольцевых стыков трубопроводов, заварки дефектов труб без последующей термообработки. Предлагаемая шихта обеспечивает получение более высоких прочностных и пластических свойств сварных соединений при пониженных напряжениях и деформациях, достигаемых за счет получения металла шва со структурой низкоуглеродистого никелевого мартенсита. При охлаждении металла шва послесварки в нем протекает мартенситное- М, -превращение, сопровождающеесяувеличением объема и повышенной пластичностью металла, что обеспечиваетрелаксацию накопленных напряжений.При сварке обеспечивается высокаястабильность горения дуги, хорошееформирование наплавленного металла,легкая отделяемость шлаковой коркии малое разбрызгивание электродногометалла,Для получения мартенсита замещения в структуре металла шва шихтасодержит 16-23 мас.7 никеля и 610 мас.7. марганца. При.суммарном содержании никеля и марганца меньше26 мас,7. не удается получить чистомартенситную.структуру, В наплавленном металле появляется массивный феррит, в результате чего металл шваимеет склонность кразрушению по типу внутрикристаллического скола. Наличие в шихте менее 16 мас,7. никеляне обеспечивает необходимой пластичности, вследствие чего падает ударнаявязкость металла шва. Легирование5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 никелем снижает сопротивляемостькристаллической решетки движениюсвободных дислокаций и уменьшаетэнергию взаимодействия дислокаций сатомами внедрения (углерода), поэтому облегчается релаксация напряженийи уменьшается склонность металла швак хрупкому разрушению. Нижний пределсодержания марганца (6 мас.7.) определяется началом его положительноговлияния на увеличение технологическойпрочности металла шва в процессекристаллизации, Введение в шихту марганца при соблюдении отношения И 1/Мп=- 1,6-3,85 обеспечивает повышениестойкости наплавленного металла против образования горячих трещин засчет связывания примесной серы в тугоплавкий сульфид марганца (Тп - 1620 С), что препятствует образованию легкоплавких сульфидов железа и никеля и их эвтектик, являющихся одной из главных причин образования горячих трещин. При отношении содержания никеля к марганцу меньшем 1,6 происходит охрупчивание металла шва, поскольку железомарганцевый мартенсит имеет пониженные пластические свойства. В результате снижается ударная вязкость металла шва и повышаются остаточные направления и деформации.При отношении И 1/Мп больше 3,85 снижается стойкость металла шва против образования горячих трещин за счет образования при его кристаллизации легкоплавких эвтектик сульфидао железа и никеля (Т = 690 С). Введение в шихту порошковой проволоки более 23 мас.7 никеля нецелесообразно, поскольку он ухудшает пластическиесвойства, в частности ударную вязкость, так как в металле наблюдается межзеренное разрушение, очагами которого являются трещины кристаллизационного типа. Введение в шихту более10 мас.7 марганца ухудшает пластичность металла шва вследствие значительных искажений решетки твердого раствора и повышения твердости, При суммарном содержании никеля и марганца более 29 мас.7 прочность металла шва возрастает, а пластичность и ударная вязкость падают за,счет увеличения степени закрепления дислокаций.1Хром при содержании 1-3,5 мас.7 упрочняет одновременно матрицу и гра -13281ницу зерен, в связи с этим при воз-,растании прочности пластичность иударная вязкость практически не меняются. Введение хрома более 3,5 мас.7приводит к охрупчиванию границ зерени межзеренных прослоек за счет появления избыточного количества карбидов, вследствие чего резко снижаютсяпластичность и ударная вязкость,склонность металла шва к релаксации Онапряжений. При содержании хрома менее 1 мас.7 наблюдается межзеренноеразрушение, очагами которого являются трещины кристаллизационного типа,Молибден и ванадий, вводимые в 5состав шихты в виде ферромолибдена иферрованадия, связывают примесный углерод и карбиды и выводят его изтвердого раствора, Необходимость связывания углерода и ограничения его 20содержания в наплавленном металледо 0,09 мас.% вызвана тем, что углерод образует твердые растворы внедрения (атмосферы Котрелла), которыеблокируют свободные дислокации. Закрепление дислокаций повышает сопротивление пластической деформации и,следовательно, снижает релаксационную способность мартенсита.При введении в шихту 1,5-3,5 мас.7 ЗОферромолибдена повышаются прочностныесвойства шва, стойкость против образования горячих трещин, сопротивляемость хрупкому разрушению. При введении ферромолибдена менее 1,5 мас.7существенного действия на указанныесвойства не отмечено, Повышение содержания ферромолибдена в шихте свыше 3,5 мас.7 вызывает охрупчиваниеметалла шва при температурах старения (450-550 С),Феррованадий, вводимый в количестве 1-1,5 мас.7. связывает примесный углерод в карбиды, препятствует рос ту зерна при нагреве, улучшает механические свойства металла шва при комнатной и пониженной температурах. Содержание феррованадия в шихте менее 1 мас,7 не обеспечивает полного 0 связывания углерода в карбиды. Введение феррованадия более 1,5 мас.7. сни,жает ударную вязкость металла шва за счет выделения частиц фазы Лавеса.Содержащийся в количестве 1-2 мас.75 ферроиттрий позволяет повысить релаксационную способность мартенсита и механические свойства за счет очищения границ зерен от примесей. Иттрий,24 4обладая высоким сродством к кислороду и сере, благоприятно изменяет со-. став, форму и расположение неметаллических включений, Нижний предел (1 мас.%) ограничивается началом эффективного действия на указанные свойства, а верхний (2 мас.%) - когда эффективность введения ферроиттрия становится максимальной.Введение в шихту порошковой проволоки ферротитана в количестве 0,5- 4 мас.7 предупреждает выгорание других:легирующих элементов, обеспечивает мелкозернистую структуру металла шва, способствует разрушению сульфид ных прослоек. При содержании ферротитана в шихте более 4 мас.% в наплавленном металле появляются сложные титанистые фазы, которые колониями или группами оконтуривают границы первичных кристаллитов, что приводит к снижению стойкости против образования горячих трещин. Введение ферротитана менее 0,5 мас.% заметного влияния на свойства металла шване оказывает. Ферробор, вводимый в количестве 0,05-1 мас.% способствует измельчению зерна первичной кристаллизации. Ввиду чрезвычайно малой растворимости бора в металлах и сплавах, а также способности бора как поверхностно-активного элемента обогащать границы зерен и другие места скоп- лений несовершенств кристаллической решетки, образование боридов имеет место уже при очень малых содер жаниях бора в наплавленном металле (0,00 мас.Х). Образуя тугоплавкие соединения сметаллами, азотом и кислородом, бор, будучи активным раскислителем, одновременно действует как активный модификатор, особенно при совместном введении с титаном. При содержании ферробора в шихте болеемас.7 в наплавленном металле наблюдается укрупнение зерна и появление боридной эвтектики, располагающейся по границам зерен, что приводит к значительному снижению пластических свойств металла шва. Нижний предел содержания ферробора (0,05 мас.7) ограничивается началомпроявления модифицирующего действия.Ферросилиций в количестве 2-4 мас,У :вводимый совместно с марганцем, обес-. печивает в процессе сварки растекаемость металла, предупреждает порис 1328124Уменьшение содержания водородав металле шва достигается введениемв состав шихты кремнефтористого натрия в количестве 2-4 мас,7, Введениекремнефтористого натрия более 4 мас,7.вызывает нарушение стабильности горения дуги. При содержании кремнефтористого натрия менее 2 мас,7 эффективность его действия оказываетсянедостаточной, возможно появлениепор в металле шва,55С целью улучшения переноса электродного металла и снижения потерьна разбызгивание в состав шихты вводится поташ в количестве 1,5-3,5 мас,7,45 тость, исключает шлаковые включения за счет образования легкоплавких продуктов раскисления, Содержание ферросилиция в шихте мене 2 мас.7. оказывается недостаточным для образования легкоплавких продуктов раскисления. Введение ферросилиция более 4 мас.7 повышает склонность металла шва кхрупкому разрушению за счет дисперсионного твердения при температурах ста.10рения (450-550 С) .Шпакообразующая часть шихты, состоящая из 2-5 мас,7 мрамора,7-14 мас.7.рутилового концентрата и 7-17 мас,7.флюорита, позволяет интенсивно обработать металл сварочной ванны шлаком и снизить содержание газов и неметаллических включений. Введение мрамора и флюорита в указанных пределахпозволяет получить шлак основного типа, 20что благоприятно сказывается на егоспособности удалять из расплавленного металла такие вредные примеси,как сера и фосфор. Введение рутилового концентрата в количестве 7-14 мас.7 25обеспечивает устойчивое горениедуги в широком диапазоне токов, улучшает формирование шва и уменьшаетпотери электродного металла на разбрызгивание. Входящий в состав шихты 30флюорит в количестве 7-17 мас.7, являясь флюсующим реагентом, обеспечивает минимальное содержание неметаллических включений в наплавленномметалле, способствует равномерномуплавлению сердечника и оболочки,Присодержании мрамора менее 2 мас,7наблюдается образование жидкотекучего шлака, не обеспечивающего защитурасплавленного металла, Введение мрамора более 5 мас.7 ухудшает газопроницаемость и отделимость шлаковойкорки,При плавлении оболочки и шихты порошковой проволоки, содержащей поташ, значительно уменьшается времясуществования капель, их размеры,Нижний предел содержания поташа(1,5 мас,7) определяется началомзаметного влияния на уменьшение разбрызгивания, а верхний предел(3,5 мас,7) определяется максимальным положительным эффектом.Таким образом, предлагаемый составшихты для порошковой проволоки нарядус повышенными сварочно-технологическими свойствами позволяет получить металл шва с лучшими эксплуатационнымихарактеристиками, В наплавленном металле достигается стуктура пластичного низкоуглеродистого никелевогомартенсита, который обеспечивает релаксацию напряжений в шве и основномметалле в процессе их охлажденияпосле сварки.В табл.1 приведены варианты предлагаемых составов шихты для порошковой проволоки (составы 1-3) и состав с запредельным содержанием компонентов (составы 4-7) . Хотя суммарное содержание никеля и марганца всоставах 6 и 7 отвечает требованиюполучения мартенситной структуры, однако отношение И/Мп не соответствует предлагаемому. Для составов 4и 5 выполняется условие отношения1 Я/Мп, но не выполнено условие суммарного их содержания,В качестве оболочки для изготовления порошковой проволоки используютленту из стали 08 КП размером 15 х 0,8 мм.Коэффициент заполнения порошковой проволоки составляет 25-287.Лабораторные испытания порошковыхпроволок с известной и предлагаемойшихтой проводят путем определения остаточных напряжений и угловых деформаций в сварных стыковых соединенияхпластин размером 350 х 150 х 32 мм с7-образной разделкой кромок, стойкости металла шва против образования горячих трещин, ударной вязкости, прочностных и пластических свойств металла шва при нормальной температуре,потерь на угар и разбрызгивание. Определение остаточных напряженийи угловых деформаций производят пометодике МВТУ 11Критерием оценкислужит величина остаточных напряженийбо, (МПа) и деформация от угловогоизлома Е (град) .Испытание на сопротивляемость металла шва образованию горячих трещинпроводят на машине ЛТП 1-6 М. Критерием оценки является критическая ско 5рость деформирования А(мм/мин).Определение прочностных и пластических свойств металла шва проводятв соответствии с ГОСТом. Критериемоценки служит предел прочности 106(МПа) и относительное удлинениео (Е).При определении ударной вязкостииз сварных соединений изготовляют образцы Менаже (тип 1) размером 10 х 10 хх 55 мм с надрезом по центру шва, Критерием оценки служит величина ударной вязкости КСБ (даДЖ/см ).Определение потерь электродногометалла на угар и разбрызгивание про Пводят по известной методикеКритерием оценки служит коэффициент потерьеВ табл.2 приведены результатыизмерения остаточных напряжений и угловых деформаций в сварных стыковыхсоединениях.В табл.3 приведены результатыиспытания сварочных проволок.В табл,4 приведено содержаниепримесей в металле шва,Анализ результатов испытаний позволяет заключить, что металл шва, полученный порошковой проволокой с шихтой предлагаемого состава, обладаетпо сравнению с известным следующимипреимуществами: остаточные напряжения в шве и околошовной зоне в1, 1-2 раза ниже, угловая деформация в1,2-1,4 раза меньше; ударная взякостьметалла шва в 1, 1-1,2 раза больше,сопротивляемость образованию горячих трещин в 1,1-1,3 раза выше; металл шва обладает лучшими прочностными и пластическими свойствами,при сварке порошковой проволокой сшихтой предлагаемого состава потериэлектродного металла на 5-257. меньше.Предлагаемый состав шихты обеспечивает получение металла шва со структу 50рой низкоуглеродистого никелевого мартенсита (твердый раствор замещения),обладающего значительной пластичностьюи потому менее склонного к образованию холодных трещин, содержание угле рода в нем не превышает 0,05-0,062,Тем не менее, при разработке шихтыпорошковой проволоки учитывалось вредное влияние водорода на склонностьметалла шва к замедленному разрушеннию - образованию холодных трещин.Для предотвращения фиксации и уменьшения содержания водорода в наплавленном металле в состав шихты введенкремнефтористый натрий в количестве2-47. Формула изобретения Шихта порошковой проволоки, содержащая хром, никель, ферромолибден, рутиловый концентрат, марганец, ферросилиций, ферроиттрий, феррованадий, флюорит, кремнефтористый натрий, железный порошок, о т л и ч а ю щ а яс я тем, что, с целью повышения сварочно-технологических свойств порошковой проволоки, повышения прочности и пластичности металла сварного шва при снижении остаточных напряжений и деформаций в нем, шихта дополнительно содержит ферробор, ферротитан, мрамор, поташ при следующем соотношениикомпонентов, мас.7: 7-14 7-172-5 ФлюоритМраморКремнефтористыйнатрийПоташЖелезный 2-4 1,5-3,5Остальное порошок причем отношение содержания никеляк марганцу находится в пределах(Ся /С= 1,6-3,85), а суммарное ихсодержание составляет (С+С , = 26297),НикельХромФерромолибденФеррованадийФерросилицийМарганецФерроборФерротитанФерроиттрийРутиловыйконцентрат 16-23 1,0-3,5 1,5-3,5 1,0-1,5 2-4 6-10 0,05-1 0,5-4 1-21328124 Таблица 1 Содержание, мас,7 в составеКомпоненты 1 Г 1 15 24 16 23 19 23 16 Никель 2,2 3,5,2,5 3,5 Хром 1,5 ФерромолибденФеррованадийФерросилицийМарганец 1,5 0,5 0,7 1,5 2 4 6 10 0,05 1 10 Ферробор 0,02 0,05 0,3 4,5 0,5 4 0,5 ФерротитанФерроиттрий 2,5 6 181,5 5,5 Флюорит Мрамор Кремнефтористыйнатрий 4,5 1,5 ПоташЖелезный порошок 3,5 15Ос- тальное 2,5 3,5 Ос- Ос 1,5 ОсОсОс- тальОс- тальталь- тальное .ное тальтальное ное ное ное Таблица 2 Продольные остаточные напряжения, МПа УгловаядеФормация Е,град,Проволокас шихтой на оси на расстоянии от оси шва, мм состава 6 12 18 24- .1 40; ач/минКоэффициент потерь Показатели для порошковой проволоки с шихтой состава 80 900 720 1010 830 940 86 2 4 16 3 16 О 15 8 15 4 17