Порошковий дріт для мокрого підводного зварювання високолегованих хромонікелевих сталей типу 18-10

Порошковий дріт для мокрого підводного зварювання високолегованих хромонікелевих сталей типу 18-10, що складається зі сталевої оболонки, виготовленої з нержавіючої хромистої сталі і шихти, що включає електролітичний нікель, металевий C2 2 (19) 1 3 89266 4 сутні молекули, наприклад, ОН. При підвищенні №1605451 від 27.01.1995p., В23К35/368 Бюл. №3), температури Τ=5000...6000°К (температура плазобраний нами в якості прототипу. ми дуги) ступінь дисоціації молекул води збільшуПорошковий дріт (ПД) складається з оболонки, ється, отже, збільшується вплив водню і окисний виготовленої з нержавіючої хромистої сталі з вміспотенціал середовища. том хрому 24,0...27,0% і шихти при наступному Отже, при розробці порошкових дротів для моспіввідношенні компонентів, мас.% крого підводного зварювання необхідно передбаелектролітичний нікель 30,0…54,0 чити міри, що сприяють зменшенню або усуненню металевий марганець 1,5...15,0 цих несприятливих факторів. Одним із діючих спофероніобій 2,0...2,7 собів, що застосовується в практиці розробки зварутил 5,0...25,0 рювальних матеріалів є введення до складу шихти плавиковий шпат 5,0...25,0 порошкових дротів фтористих з'єднань, що утвомагнезит 5,0...20,0 рюють з воднем нерозчинні в рідкому металі хімічгексафторсилікат натрію 0,6...3,0 ні сполуки. Такий підхід був реалізований при розкалій-натрієва силікатна брила 0,5...0,4 робці "Порошкового дроту для зварювання під ферованадій 0,6...5,0 водою" (Патент України №19627 А від оксид хрому 0,6...5,0 25.12.1997р.; В23К35/36; Бюл. №6, 1997р.) взятий металевий хром 1,0...16,0 нами в якості аналога. Порошковий дріт складаКоефіцієнт заповнення порошкового дроту ється з сталевої оболонки і шихти при наступному складає 20...30%. співвідношенні компонентів, мас.%: Даний порошковий дріт (ПД) призначений і зарутил 18,0...22,0 стосовується для зварювання на повітрі хромонігематит 4,0...8,0 келевих сталей типу 18-10. Однак, використання марганець 28,0...32,0 його для мокрого підводного зварювання високонікель 4,0...8,0 легованих сталей неможливо. Як вказувалося вифторид літію 2,0...4,0 ще, в зв'язку з сильним окислювальним впливом фторид кобальту 0,4...0,6 навколишнього середовища (води) при підводному польовий шпат 1,6...2,4 зварюванні, відбувається окислювання легуючих залізний порошок 31,0...34,0 елементів: марганцю, хрому та інш. В результаті При цьому коефіцієнт заповнення порошковоповерхня наплавленого металу сильно окислена, го дроту складає 30...35%. метал перепалений, складається практично з "граЗазначений порошковий дріт не може бути зату", формування його погане. Отже, не забезпечустосований для зварювання високолегованих хроються зварювально-технологичні властивості помонікелевих сталей, тому що призначений для рошкового дроту при мокрому підводному зварювання маловуглецевих сталей, тобто він зварюванні, що робить порошковий дріт непридатзабезпечує склад наплавленого металу відповідним для цих цілей. ний маловуглецевим сталям. Розробка порошкового дроту для мокрого підУ порошковому дроті для підводного зварюводного зварювання високолегованих хромонікевання низьколегованих сталей підвищеної міцності левих сталей типу 18-10 представляється ще типу 17Г1С (Патент України №75174 від більш складною задачею. 15.03.2006p.; В23К35/368), взятий нами також в Необхідно передбачити міри, що усувають неякості аналога, використаний інший спосіб забезсприятливий вплив водневого середовища. Поряд печення можливості зварювання сталі підвищеної із забезпеченням мір, що сприяють зменшенню міцності - одержання аустенітної структури металу впливу водня, необхідно задіяти фактори, що шва. сприяють зменшенню, чи усуненню шкідливого Порошковий дріт по зазначеному патенту впливу окисного потенціалу середовища. складається з металевої оболонки, виготовленої з Задачею винаходу є створення порошкового чистого нікелю і шихти при наступному співвіднодроту для мокрого підводного зварювання високошенні компонентів, мас.%: легованих хромонікелевих сталей типу 18-10, що фторцирконат калію 8,0...10,0 забезпечує високі зварювально-технологичні влапольовий шпат 4,0...10,0 стивості порошкового дроту і одержання механічфтористий кальцій 4,0...6,0 них властивостей металу і звареного з'єднання, а алюміній решта також якості металу шва, що задовольняють вимоПричому, коефіцієнт заповнення порошкового гам класу В "Специфікації для підвідного зварюдроту складає 22-25%. Використання в якості обовання" AWS/ANSI D3.6. лонки порошкового дроту стрічки з чистого нікелю Поставлена задача вирішується тим, що позабезпечує одержання металу шва з вмістом нікерошковий дріт (ПД), який складається з металевої лю в діапазоні 70...80% (у результаті перемішуоболонки, виготовленої з нержавіючої хромистої вання з основним металом), інше - залізо. В зв'язсталі з вмістом хрому 18,0...24,0% і шихти, що міску з відсутністю в наплавленому металі хрому, тить електролітичний нікель, металевий маргатакий склад металу шва не забезпечує корозійної нець, фероніобій, рутил, магнезит, гексафторсилістійкості і, отже, не може бути використаний для кат натрію, калій-натрієву силікатну брилу, згідно зварювання високолегованих корозійностойких винаходу, шихта додатково містить флюоритовий сталей типу 18-10. концентрат, літій фтористий, кріоліт, чотирьохфтоНайбільш близьким до винаходу, що заявляристий цирконій і алюмінієвий порошок при настується, є склад порошкового дроту (Патент RU пному співвідношенні компонентів, мас.%: 5 89266 6 електролітичний нікель 15,0…45,0 водню в широкому температурному діапазоні, як у металевий марганець 1,5...16,0 газовому середовищі, так і в шлаковій системі. фероніобій 1,0...6,0 Нижні межі додатково введених фторидів обрутил 0,5...3,0 рані з урахуванням їх впливу на здатність до зв'ямагнезит 0,5...10,0 зування водню, а отже, підвищенню якості металу гексафторсилікат натрію 0,2...1,5 шва і зниженню схильності до пористості. Причокалій-натрієва силікатна брила 0,1...2,0 му, при змісті їх у кількостях менш зазначених ниметалевий хром 1,0...18,0 жніх межах, а саме: флюоритового концентрату флюоритовий концентрат 30,0...45,0 менш 30,0мас.%, літію фтористого менш 0,5мас.%, літій фтористий 0.5...7.5 кріоліту менш 1,0мас.%, чотирьохфтористого циркріоліт 1.0...4.0 конію менш 0,5мас.%, при змісті гексафторсилікату чотирьохфтористий цирконій 0,5...1,0 натрію в кількості менш 0,2мас.% вплив перерахоалюмінієвий порошок 0,2...2,5 ваних фторидів не виявляється. Введення їх в При цьому коефіцієнт заповнення порошковокількостях, що перевищують верхні межі по змісту, го дроту складає 30,0...50,0%. а саме: флюоритового концентрату більш При використанні в якості оболонки стрічки з 45,0мас.%, літію фтористого більш 7,5мас.%, кріонержавіючої хромістої сталі з вмістом хрому літу більш 4,0мас.%, чотирьохфтористого цирко18,0...24,0%, в залежності від дійсного вмісту хронію більш 1,0мас.%, гексафторсилікату натрію му в стрічці та від необхідного коефіцієнту заповбільш 1,5мас.% приводить до погіршення зварюнення дроту, легування наплавленого металу вально-технологичних властивостей порошкового хромом здійснюється частково оболонкою, а також дроту. додатково знаходиться в шихті в кількості Комплексне введення фторидів є більш ефек1,0...18,0мас.%. Слід зазначити, що вміст хрому в тивним, ніж введення кожного з фторидів окремо, оболонці в кількості 18,0...24,0мас.% передбачає навіть в кількостях, що перевищують зазначений застосування стрічки с зазначеним вмістом хрому зміст. в оболонці дроту, який був отриманий при виготоМагнезит, рутил і флюоритовий концентрат є влені стрічки. основними шлакоутворюючими компонентами Таким чином, при застосуванні стрічки різних шихти порошкового дроту. Зміст магнезиту в склатипорозмірів забезпечується можливість отриманді шихти в кількості 0,5...10,0мас.% разом з рутиня порошкових дротів широкої номенклатури, як по лом в кількості 0,5...3,0мас.% і, додатково введедиаметрам (від 1,6мм до 2,4мм), так і по вмісту ними в склад шихти флюоритовим концентратом в хрому в наплавленому металі, нарівні кількості 30,0...45,0мас.% і фторидами в зазначе(16,0...24,0)мас.%. них межах, а саме: літію фтористого Отже в залежності від типу легування сталей, 0,5...7,5мас.%, кріоліту - 1,0...4,0мас.%, чотирьохякі потрібно зварювати, зміст хрому в наплавлефтористого цирконію - 0,5...1,0мас.%, а також при ному металі повинен знаходиться в диапазоні наявності гексафторсилікату натрію в кількості 16,0...24,0мас.%, вміст нікелю 7,0...12,0мас%. 0,2...1,5мас.% сприяє одержанню комплексу фізиРозглянемо базовий склад порошкового дроту. ко-хімічних властивостей шлаку, що забезпечує Введення великої кількості фторидів, а саме, оптимальне поєднання зварювальнофлюоритового концентрату (CaF2) в кількості технологичних властивостей порошкового дроту 30,0...45,0мас.%, літію фтористого (LiF) у кількості для мокрого підводного зварювання високолего0,5...7,5мас. %, кріоліту (Na3AlF6) в кількості ваних сталей . 1,0...4,0мас.%, а також чотирьохфтористого цирЛужні і лужноземельні елементи (натрій, калій, конію (ZrF4) в кількості 0,5...1,0мас.% поряд з прилітій, кальцій), що входять до складу з'єднань шисутнім у дроті гексафторсилікатом натрію (Na2SiF6) хти порошкового дроту (силікатна брила, флюорив кількості 0,2...1,5мас.% сприяє збагаченню реактовий концентрат, літій фтористий, кріоліт) мають ційної зони фтором. Фтор в зв'язку з винятково низькі значення роботи виходу електронів ( ) у високої спорідненості до водню з'єднується з наслідок чого є ефективними стабілізаторами дуостаннім і утворює нерозчинний у металі фторисги, що є особливо важливим при мокрому підводтий водень (HF). При цьому зміст водню в металі ному зварюванні. шва зменшується, що істотно підвищує якість меКрім того, пари перерахованих вище елементалу шва. Термічна стійкість, фторидів, які ввотів, здатні зв'язувати кисень у газовій фазі в зв'язку дяться, різна, а також, і ступінь їхньої дисоціації. їхньої сильної спорідненості до кисню. Гексафторсилікат натрію (Na2SiF6) розкладається Алюміній і цирконій є найбільш активними розз утворенням SiF4, що найбільше легко реагує з кислювачами, здатність яких до розкислювання воднем в температурному діапазоні 450...720°С. виявляється у всьому температурному діапазоні, Випаровування (AlF3) із кріоліту (Na3AlF6) відбувапочинаючи від температури Τ=2300°С (температується при температурі Τ=1000°С. Розкладання ра краплі), так і при більш низьких температурах фтористого кальцію (CaF2), фтористого літію (LiF) і Τ=1700°С (температура рідкого металу вани) і начотирьохфтористого цирконію (ZrF4) відбувається віть при температурі кристалізації металу шва при більш високих температурах, більш 1000°С, Τ=1500°С. практично в температурному діапазоні Межі по введенню чотирьохфтористого циркоΤ=1300...2000°С, тобто на стадії краплі. Крім того, нію в кількості 0,5...1,0 мас.% і алюмінієвого поролужні метали натрій, літій і луго-земельні, кальцій шку в кількості 0,2...2,5мас.% обрані з урахуванням утворюють з воднем гідриди, нерозчинні в металі. забезпечення необхідного і достатнього розкисТаким чином, вирішується проблема зв'язування лення наплавленого металу. При вмісті чотирьоф 7 89266 8 тористого цирконію в кількості менш 0,5мас.% і порошкові дроти. Коефіцієнт заповнення складав алюмінієвого порошку в кількості менш 0,2мас.% 30,0...50,0мас.%. не забезпечується достатній ступінь розкислення В табл. 1 наведено склад шихти порошкового наплавленого металу, а отже, одержання якісного дроту для мокрого підводного зварювання високонаплавленого металу. Введення алюмінієвого полегованих хромонікелевих сталей типу 18-10, в рошку в кількості більш 2,5мас.% погіршує зварютабл. 2 наведено склад оболонки, що застосовувально-технологічні властивості порошкового дроється при виготовленні порошкових дротів. ту, відбувається дестабілізація процесу Дроти №1...3 відповідають складам, запропозварювання, підвищується розбризкування. При нованого порошкового дроту для мокрого підводвмісті чотирьофтористого цирконію в шихті порошного зварювання високолегованих хромонікелевих кового дроту більш 1,0мас.% збільшується кільсталей типу 18-10 наведеним в табл. 1 дроти №4, кість неметалічних включень у металі шва, знижу5 - не відповідають складам запропонованого поється пластичність металу. рошкового дроту для мокрого підводного зварюНаявність у порошковому дроті нікелю злектвання високолегованих хромонікелевих сталей, ролітичного в кількості 15,0...45,0мас.% обумовлещо заявляється. Були проведені іспити запропоно забезпеченням хромонікелевого наплавленого нованого порошкового дроту. Вони включали зваметалу нікелем в кількості 5,0...24,0мас.%. Метарювання стикових з'єднань і їхнього іспиту для левий марганець вводиться в якості розкислювача визначення механічних властивостей металу шва і і як легуючий елемент. Межі по легуванню наплазварного з'єднання. Відповідно до вимог до металу вленого металу ніобієм обрані з розрахунку викошва і зварного з'єднання по класу В AWS/ANSI D3.6 механічні властивості повинні бути не менш нання наступного співвідношення: Nb 8·С, тобто 80% від властивостей основного металу. Кут загизміст ніобію повинен в вісім разів перевершувати ну зварних з'єднань повинен бути не менш 120°. зміст вуглецю в наплавленому металі. При змісті Якість металу шва (наявність пор, шлакових вклюфероніобія в дроті менш 1,0мас.%, що відповідає чень, тріщин) повинне бути оцінене на мікрошлівмісту фероніобія в наплавленому металі фах при 5-ти кратному збільшенні. В якості основ0,3мас.% співвідношення Nb 8·С виконуватися не ного металу використовували сталь 12Х18Н10Т, буде, тобто ефект стабілізації реалізується не ціл=14мм. ком. Введення в порошковий дріт фероніобія Зварювання виконували в лабораторному бабільш 6,0мас.% приводить до зниження пластичсейні на глибині 1м напівавтоматом А-1616. Межа них властивостей металу шва. Межі легування по міцності основного металу 12Х18Н10Т не менш марганцю (1,5...16,0мас.%) обрані, виходячи з 530Мпа. умови забезпечення необхідних значень Cr экв. і Зварювально-технологичні властивості ПД виNi экв., тобто при обраних межах легування назначали візуально. Результати іспитів порошковоплавленого металу хромом, нікелем, марганцем, го дроту для мокрого підводного зварювання висоніобієм в останньому забезпечується необхідне колегованих хромонікелевих сталей типу 18-10, легування вказаними елементами. згідно складам з табл. 1, наведені в табл. 3. Таким чином, наявність рутилового концентраЇх аналіз дозволяє зробити наступні висновки. ту, магнезиту, гексафторсиліката натрію, калійПД складу, що заявляється, (дроти №1...3) забезнатрієвої силікатної брили, флюоритового конценпечують гарні зварювально-технологичні властитрату, літію фтористого, кріоліту, чотирьохфторисвості (стійке горіння дуги, гарне формування натого цирконію забезпечує гарні зварювальноплавленого металу, відсутність пригару). технологичні властивості при мокрому підводному При зварюванні дротом складу №4 спостерігазварюванні високолегованих сталей типу 18-10, а ється низька стабільність горіння дуги, розбризкусаме: гарне формування металу шва, високу стійвання наплавленого металу, погане формування. кість проти пористості, стабільне горіння дуги. Поверхня металу, наплавленого дротом складу Введення легуючих елементів у зазначених №5 окислена, з'являється пригар. межах забезпечує одержання необхідного хімічноТаким чином, склад ПД, що заявляється, заго складу наплавленого металу, якості металу шва безпечує гарні зварювально-технологичні властиі механічних властивостей металу шва та зварного вості ПД при мокрому підводному зварюванні виз'єднання, що відповідають вимогам класу В соколегованих хромонікелевих сталей і одержання AWS/ANSI D3.6 "Специфікації по підвідному звамеханічних властивостей металу шва і зварного рюванню". з'єднання, а також якість металу шва, що задовоДля оцінки зварювально-технологичних власльняють вимогам класу В AWS/ANSI D3.6 "Специтивостей запропонованого (ПД), механічних власфікації для підводного зварювання" і може бути тивостей металу шва і зварного з'єднання, а також рекомендований для використання при ремонті якості отриманого металу шва, були виготовлені підводних споруд і металоконструкцій. 9 89266 10 Таблиця 1 Склад шихти порошкового дроту для мокрого підводного зварювання високолегованих хромонікелевих сталей типу 18-10 № п/п Найменування компонентів електролітичний нікель металевий хром фероніобій рутил флюоритовий концентрат магнезіт гексафторсилікат натрію калій-натрієва силікатна брила металевий марганець літій фтористий кріоліт чотирьохфтористый цирконій алюмінієвий порошок 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10 11. 12 13. 1 15,0 18,0 3,4 0,5 45,0 4,0 0,2 2,0 6,5 0,5 4,0 0,7 0,2 Склад шихт порошкового дроту, мас.% Номер дроту 2 3 4 30,0 45,0 50,0 1,0 5,0 0 6,0 1,0 0,5 1,5 3,0 3,5 30,0 33,0 20,0 10,0 0,5 11,5 1,0 1,5 2,0 0,1 1,0 0 15,0 1,5 0 1,9 3,0 4,0 1,0 2,5 5,5 1,0 0,5 0 1,5 2,5 3,0 5 5,0 20,0 7,0 0 48,0 0 0 2,5 16,0 0 0 1,5 0 Таблиця 2 Хімічний склад оболонки, який застосовується для виготовлення порошкового дроту для мокрого підводного зварювання високолегованих хромонікелевих сталей Номер плавки 1 2 3 Хром 18,4 20,1 23,8 Хімічний склад оболонки, мас.% Залізо 80,842 79,075 75,926 Решта 0,758 0,825 0,274 Таблиця 3 Результати іспитів порошкового дроту для мокрого підводного зварювання високолегованих хромонікелевих сталей, згідно складам наведеним в табл. 1 Номера дротів 1 2 3 4 5 Механічні властивості шва і зварного з'єднання Кут загину, град Межа міцності, Β, МПа 500,0 140,0 530,0 130,0 525,0 150,0 510,0 90,0 620,0 75,0 Комп’ютерна верстка О. Гапоненко Підписне Якість металу шва (наявність пор, шлакових включень, тріщин) немає немає немає є тріщина є шлакові включення Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601