Шихта порошковой проволоки

Шихта порошковой проволоки

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к области сварки и может найти применение при изготовлении порошковых проволок (ТШ) используемых для механизированной сварки конструкционных сталей. Целью изобретения является повышение сварочно-технологических свойств ПП, прочностных и пластических свойств металла шва при пониженном уровне остаточных напряжений и деформаций в сварных конструкциях. Добавление в состав шихты, содержащей, мас.%: 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; флнюрит 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.%, обеспечивает повьш1енные сварочно-технологические свойства ПП (сопротивляемость образованию горячих трещин в 1,1-1,3 раза вьше). Ударная вязкость сварного шва увеличивается в 1,1-1,2 раза, остаточные напряжения в шве и околошовной зоне понижаются в 1,1-2 раза. 4 табл. (Л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (11) А1 (Ю 4 В 23 К 35 36

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИД

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3998359/31-27 (22) 30.12.85 (46) 07.08.87. Бюл. № 29 (71) Уральский политехнический институт им.С.M.Êèðoâà (72) А.С.Табатчиков, А,В.Пряхин, Л.Н.Бармин и П.И.Иванов (53) 621.791.04 (088.8) (56) 1.Авторское свидетельство СССР

¹ 529034, кл. В 23 К 35/368, 1974.

2.Авторское свидетельство СССР № 755480, кл. В 23 К 35/36, 1978. (54) ШИХТА ПОРОШКОВОЙ ПРОВОЛОКИ (57) Изобретение относится к области . сварки и может найти применение при изготовлении порошковых проволок (ПП)

У используемых для механизированной сварки конструкционных сталей ° Целью изобретения является повышение сварочно-технологических свойств ПП, прочностных и пластических свойств металла шва при пониженном уровне остаточных напряжений и деформаций в сварных конструкциях. Добавление в состав шихты, содержащей, мас.Х: 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 714; флюорит 7-17; кремнефтористый натрий 2-4; железный порошок — остальное, ферробора 0,05-1; ферротитана 0,5-4 мрамора 2-5 и поташа 1,53 5 мас.Х, обеспечивает повышенйые сварочно-технологические свойства

ПП (сопротивляемость образованию горячих трещин в 1, 1-1,3 раза выше).

Ударная вязкость сварного шва увеличивается в 1, 1-1,2 раза, остаточные напряжения в шве и околошовной зоне понижаются в 1, 1-2 раза. 4 табл.

1328124

Изобретение 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 как наполнитель 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 после сварки в нем протекает мартенситное — с6 -превращение, сопровождающееся увеличением объема и повышенной пластичностью металла, что обеспечивает релаксацию накопленных напряжений.

При сварке обеспечивается высокая стабильность горения дуги, хорошее формирование наплавленного металла, легкая отделяемость шлаковой корки и малое разбрызгивание электродного металла.

Для получения мартенсита замещения в структуре металла шва шихта содержит 16-23 мас.7 никеля и 6

10 мас.X марганца. При.суммарном содержании никеля и марганца меньше

26 мас.7. не удается получить чисто мартенситную.структуру. В наплавленном металле появляется массивный феррит, в результате чего металл шва имеет склонность к разрушению по типу внутрикристаллического скола. Наличие в шихте менее 16 мас,X никеля не обеспечивает необходимой пластичности, вследствие чего падает ударная вязкость металла шва. Легирование

55 никелем снижает сопротивляемость кристаллической решетки движению свободных дислокаций и уменьшает энергию взаимодействия дислокаций с атомами внедрения (углерода), поэтому облегчается релаксация напряжений и уменьшается склонность металла шва к хрупкому разрушению. Нижний предел содержания марганца (6 мас.7.) определяется началом его положительного влияния на увеличение технологической прочности металла шва в процессе кристаллизации. Введение в шихту марганца при соблюдении отношения Ni/Мп= — 1,6-3,85 обеспечивает повышение стойкости наплавленного металла против образования горячих трещин за счет связывания примесной серы в тугоплавкий сульфид марганца (Т„„ — 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 Ni/Mn больше 3,85 снижается стойкость металла шва против образования горячих трещин за счет образования при его кристаллизации легкоплавких эвтектик сульфида о железа и никеля (Т„„= 690 С). Введение в шихту порошковой проволоки более 23 мас.7. никеля нецелесообразно, поскольку он ухудшает пластические свойства, в частности ударную вязкость, так как в металле наблюдается межзеренное разрушение, очагами которого являются трещины кристаллизационного типа. Введение в шихту более

10 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.X прочность металла шва возрастает, а пластичность и ударная вязкость падают за счет увеличения степени закрепления дислокаций.

Хром при содержании 1-3 5 мас.7 упрочняет одновременно матрицу и гра13281 ницу зерен, в связи с этим при воз-, растании прочности пластичность и ударная вязкость практически не меняются. Введение хрома более 3 5 мас.% приводит к охрупчиванию границ зерен и межзеренных прослоек за счет появления избыточного количества карбидов, вследствие чего резко снижаются пластичность и ударная вязкость, склонность металла шва к релаксации jp напряжений. При содержании хрома менее 1 мас.7 наблюдается межзеренное разрушение, очагами которого являются трещины кристаллизационного типа.

Молибден и ванадий, вводимые в !5 состав шихты в виде ферромолибдена и феррованадия, связывают примесный углерод и карбиды и выводят его из твердого раствора. Необходимость связывания углерода и ограничения его 2р содержания в наплавленном металле до 0,09 мас.% вызвана тем, что углерод образует твердые растворы внедрения (атмосферы Котрелла), которые блокируют свободные дислокации. За- 25 крепление дислокаций повышает сопротивление пластической деформации и, следовательно, снижает релаксационную способность мартенсита.

При введении в шихту 1,5-3,5 мас.% 30 ферромолибдена повышаются прочностные свойства шва, стойкость против образования горячих трещин, сопротивляемость хрупкому разрушению. При введении ферромолибдена менее 1,5 мас.7 существенного действия на указанные свойства не отмечено. Повышение содержания ферромолибдена в шихте свыше 3 5 мас.7 вызывает охрупчивание металла шва при температурах старе- 40 ния (450-550 С).

Феррованадий, вводимый в количестве 1-1,5 мас.7. связывает примесный углерод в карбиды, препятствует рос- 4S ту зерна при нагреве, улучшает механические свойства металла шва при комнатной и пониженной температурах.

Содержание феррованадия в шихте менее I 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 1-2мас.7>> ферроиттрий позволяет повысить релаксационную способность мартенсита и механические свойства за счет очищения границ зерен от примесей. Иттрий, 24 4 обладая 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 54 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.7 эаметного влияния на свойства металла шва не оказывает.

Ферробор, вводимый в количестве 0 05-1 мас.% способствует измельчению зерна первичной кристаллизации. Ввиду черезвычайно 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 (0,001 мас.Х). Образуя тугоплавкие соединения с металлами, азотом и кислородом, бор, будучи активным раскислителем, одновременно действует как активный модификатор, особенно при совместном введении с титаном.

При содержании ферробора в шихте более мас.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 началом проявления модифицирующего действия.

Ферросилиций в количестве 2-4 мас.Х, :вводимый совместно с марганцем, обес-. печивает в процессе сварки растекаемость металла, предупреждает порис1328124

Уменьшение содержания водорода в металле шва достигается введением в состав шихты кремнефтористого натрия в количестве 2-4 мас.7. Введение кремнефтористого натрия более 4 мас.7. вызывает нарушение стабильности горения дуги. При содержании кремнефтористого натрия менее 2 мас.7 эффективность его действия оказывается недостаточной, возможно появление пор в металле шва.

С целью улучшения переноса электродного металла и снижения потерь на 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 к хрупкому разрушению за счет дисперсионного твердения при температурах ста-10 рения (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 обра- 15 ботать металл сварочной ванны шлаком и снизить содержание газов и неметаллических включений. Введение мрамора и флюорита в указанных пределах позволяет получить шлак основного типа, 20 что благ оприя тно сказывается на е го способности удалять из расплавленного металла такие вредные примеси, как сера и фосфор. Введение рутилового концентрата в количестве 7-14 мас.7 2 обеспечивает устойчивое горение дуги в широком диапазоне токов, улучшает формирование шва и уменьшает потери электродного металла на разбрызгивание. Входящий в состав шихты 30 флюорит в количестве 7-17 мас.7, являясь флюсующим реагентом, обеспечивает минимальное содержание неметаллических включений в наплавленном металле, способствует равномерному плавлению сердечника и оболочки.При содержании мрамора менее 2 мас,7 наблюдается образование жидкотекучего шлака, не обеспечивающего защиту расплавленного металла. Введение мра- 40 мора более 5 мас.7 ухудшает газопроницаемость и отделимость шлаковой корки, При плавлении оболочки и шихты порошковой проволоки, содержащей поташ, значительно уменьшается время существования капель, их размеры.

Нижний предел содержания поташа (1,5 мас.7) определяется началом заметного влияния на уменьшение разбрызгивания, а верхний предел (3,5 мас.7) определяется максималь— ным положительным эффектом.

Таким образом, предлагаемый состав шихты для порошковой проволоки наряду с повышенными сварочно-технологическими свойствами позволяет получить металл шва с лучшими эксплуатационными характеристиками. В наплавленном металле достигается стуктура пластичного низкоуглеродистого никелевого мартенсита, который обеспечивает релаксацию напряжений в шве и основном металле в процессе их охлаждения после 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 в составах 6 и 7 отвечает требованию получения мартенситной структуры, однако отношение Ni/Ìï не соответствует предлагаемому. Для составов 4 и 5 выполняется условие отношения

Ni/Mn но не выполнено условие суммарного их содержания.

В качестве оболочки для изготовления порошковой проволоки используют ленту из стали 08КП размером 15х0,8 мм.

Коэффициент заполнения порошковой проволоки составляет 25-287.

Лабораторные испытания порошковых проволок с известной и предлагаемой шихтой проводят путем определения остаточных напряжений и угловых деформаций в сварных стыковых соединениях пластин размером 350х150х32 мм с

V-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 напряжений и угловых деформаций производят по методике МВТУ jl). Критерием оценки служит величина остаточных напряжений

6, (МПа) и деформация от углового излома f (град) .

1328124

Испытание на сопротивляемость металла шва образованию горячих трещин проводят на машине ЛТП 1-6М. Критерием оценки является критическая ско5 рость деформирования А „ (мм/мин).

Определение прочностных и пластических свойств металла шва проводят в соответствии с ГОСТом. Критерием оценки служит предел прочности 10

6 (МПа) и относительное удлинение э

При определении ударной вязкости из сварных соединений изготовляют образцы Менаже (тип 1) размером 10х10х х55 мм с надрезом по центру шва. Критерием оценки служит величина ударной вязкости КСБ (даДЖ/см ).

Определение потерь электродного металла на угар и разбрызгивание про- 20 водят по известной методике ° Критерием оценки служит коэффициент потерь

wÐ(7)

В табл.2 приведены результаты измерения остаточных напряжений и уг- 25 ловых деформаций в сварных стыковых соединениях.

В табл.3 приведены результаты испытания сварочных проволок.

В табл.4 приведено содержание примесей в металле шва.

Анализ результатов испытаний позволяет заключить, что металл шва, полученный порошковой проволокой с шихтой предлагаемого состава, обладает по сравнению с известным следующими преимуществами: остаточные напряжения в шве и околошовной зоне в

1, 1-2 раза ниже, угловая деформация в

1,2-1,4 раза меньше; ударная взякость металла 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 с шихтой предлагаемого состава потери электродного металла на 5-257. меньше.

Предлагаемый состав шихты обеспечивает получение металла шва со структу50 рой низкоуглеродистого никелевого мартенсита (твердый раствор замещения), обладающего значительной пластичностью и потому менее склонного к образованию холодных трещин, содержание углерода в нем не превышает 0,05-0,067.

Тем не менее, при разработке шихты порошковой проволоки учитывалось вредное влияние водорода на склонность металла шва к замедленному раэруше нию — образованию холодных трещин.

Для предотвращения фиксации и уменьше. ния содержания водорода в наплавленном металле в состав шихты введен кремнефтористый натрий в количестве

2-47.

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 снижений остаточных напряжений и деформаций в нем, шихта дополнительно содержит ферробор, ферротитан, мрамор, поташ при следующем соотношении компонентов, мас.7:

7-14

7-17

2-5

Флюорит

Мрамор

Кремнефтористый натрий

Поташ

Железный

2-4

1,5-3 5

Остальное порошок причем отношение содержания никеля к марганцу находится в пределах (С, /C „„ = 1,6-3,85), а суммарное их содержание составляет (C „ +С „,„ = 26297) .

Никель

Хром

Ферромолибден

Феррованадий

Ферросилиций

Марганец

Ферробор

Ферротитан

Ферроиттрий

Рутиловый концентрат

16-23

1,0-3,5

1,5-3,5

1,0-1,5

2-4

6-10

0,05-1

0 5-4

1-2

1328124

Таблица 1

Содержание, мас.7 в составе

Компоненты

1 Г 1

15 24

16 23

19 23

Никель

2,2 3,5 .

2,5 3 5

Хром

1,5

Ферромолибден

Феррованадий

Ферросилиций

Марганец

1,5

0,5

0,7 1,5

2 4

6 10

0,05 1

4.,5

1,5

Ферробор

0,02

1,5

0,05

0,3 4,5

0 5 4

0 5

Ферротитан

Ферроиттрий

2,5

0 5

6 18

1,5 5,5

Флюорит

Мрамор

Кремнефтористый натрий

4,5

1,5

Поташ

Железный порошок

3,5

1,5

Остальное

2,5 3,5

Ос- Ос1,5

ОсОсОстальОстальталь- тальное .ное тальтальное ное ное ное

Таблица 2

Продольные остаточные напряжения, МПа

Угловая деформация f град.

Проволока с шихтой на оси на расстоянии от оси шва, мм состава

6 12 18 24 —.1 40

+40

+80 + 140 +80

+60 +120 +75

+50 +90 +70

+121 +178 +75

+92 + 116 +80

2,0

-160

+10

1,8

-170

+20

1,9

-56

+105

2,7

+60

-180

2,6

Рутиловый концентрат 7

3 4

8 6

05 1.

2,2 4

1,5 2

10 14

12 17

3,5 5

1 35 05 4

1,5 3,5 1 4! 328124

Продолжение табл. 2

Проволока с аихтой состава

+78 2,9

+80 2,7

+120

+140 + 165

+40

-160

+95 +120

Известного . (2) -180

+80

+80 2,5

+85

+150

П р и м е ч а н и е. Знак "+ — напряжение растяжения, а знак напряжение сжатия.

Таблица 3

Свойства

5 6 7 известного )2) 3,6

9,0

Таблица 4 Проволока Содержание примесей, мас.7. с шихтой состава

I 1

01 М Х М

Иэвестного

ВНИИПИ Заказ 3433/16 Тираж 974

Подписное

Произв-полигр. пр-тие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Предел прочности G, ИПа

Относительное удли5

Ударная вязкость

КЖ, даДж/см

Критическая скорость деформирования А„

; ач/мин

Коэффициент потерь (1 Ж

Показатели для порошковой проволоки с шихтой состава

932 880 900 720 1010 830 940 860

21,8 22,7 22,4 16,3 16,0 15,8 15,4 17,6

135 145 138 115 108 106 102 120

3,4 3,2 3,2 3,0 2,6 2,4 2,8

8,4 7,6 9,0 7,8 11,7 11,2 9,5

0,0408 0,020 0 015 0,06

0,0380 0,022 0 011 0,05

0,0400 0,024 0,013 0,06

0,0687 0,028 0,018 0,09