Порошковий дріт для мокрого підводного зварювання високолегованих хромонікельмолібденових сталей типу 17-13-3

1. Порошковий дріт для мокрого підводного зварювання високолегованих хромонікельмолібденових сталей типу 17-13-3, що складається зі сталевої оболонки, виготовленої з нержавіючої хромистої сталі з вмістом хрому 24,0...27,0 % і шихти, що включає електролітичний нікель, метале C2 2 (19) 1 3 шихти порошкового дроту і продуктами дисоціації водяної пари. У продуктах дисоціації водяної пари при Т=2000...3000°К (температура крапель електродного металу) поряд з існуванням кисню і водню у вигляді молекул, кисень і водень може знаходитися в атомарному стані, а також можуть бути присутні молекули, наприклад, ОН. При підвищенні температури Т=5000...6000°К (температура плазми дуги) ступінь дисоціації молекул води збільшується, отже, збільшується вплив водню і окисний потенціал середовища. Отже, при розробці порошкових дротів для мокрого підводного зварювання необхідно передбачити міри, що сприяють зменшенню або усуненню цих несприятливих факторів. Одним із діючих способів, що застосовується в практиці розробки зварювальних матеріалів є введення до складу шихти порошкових дротів фтористих з'єднань, що утворюють з воднем нерозчинні в рідкому металі хімічні сполуки. Такий підхід був реалізований при розробці "Порошкового дроту для зварювання під водою" (Патент України №19627 А від 25.12.1997р.; В23К35/36; Бюл. №6, 1997р.) взятий нами в якості аналога. Порошковий дріт складається з сталевої оболонки і шихти при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: рутил 18,0...22,0 гематит 4,0...8,0 марганець 28,0...32,0 нікель 4,0...8,0 фторид літію 2,0...4,0 фторид кобальту 0,4...0,6 польовий шпат 1,6...2,4 залізний порошок 31,0...34,0 При цьому коефіцієнт заповнення порошкового дроту складає 30...35%. Зазначений порошковий дріт не може бути застосований для зварювання високолегованих хромонікелевих сталей, тому що призначений для зварювання маловуглецевих сталей, тобто він забезпечує склад наплавленого металу відповідний маловуглецевим сталям. У порошковому дроті для підводного зварювання низьколегованих сталей підвищеної міцності типу 17Г1С (Патент України №75174 від 15.03.2006p.; В23К35/368), взятий нами також в якості аналога, використаний інший спосіб забезпечення можливості зварювання сталі підвищеної міцності - одержання аустенітної структури металу шва. Порошковий дріт по зазначеному патенту складається з металевої оболонки, виготовленої з чистого нікелю і шихти при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: фторцирконат калію 8,0...10,0 польовий шпат 4,0...10,0 фтористий кальцій 4,0...6,0 алюміній решта Причому, коефіцієнт заповнення порошкового дроту складає 22-25%. Використання в якості оболонки порошкового дроту стрічки з чистого нікелю забезпечує одержання металу шва з вмістом нікелю в діапазоні 70...80% (у результаті перемішування з основним металом), інше - залізо. В зв'язку з відсутністю в наплавленому металі хрому, 89262 4 такий склад металу шва не забезпечує корозійної стійкості і, отже, не може бути використаний для зварювання високолегованих корозійностойких сталей типу 18-10. Найбільш близьким до винаходу, що заявляється, є склад порошкового дроту (Патент RU №1605451 від 27.01.1995p., В23К35/368 Бюл. №3), обраний нами в якості прототипу. Порошковий дріт (ПД) складається з оболонки, виготовленої з нержавіючої хромистої сталі з вмістом хрому 24,0...27,0% і шихти при наступному співвідношенні компонентів, мас. % електролітичний нікель 30,0...54,0 металевий марганець 1,5...15,0 фероніобій 2,0...2,7 рутил 5,0...25,0 плавиковий шпат 5,0...25,0 магнезит 5,0...20,0 гексафторсилікат натрію 0,6...3,0 калій-натрієва силікатна брила 0,5...0,4 ферованадій 0,6...5,0 оксид хрому 0,6...5,0 металевий хром 1,0...16,0 Коефіцієнт заповнення порошкового дроту складає 20...30%. Даний порошковий дріт (ПД) призначений і застосовується для зварювання на повітрі хромонікелевих сталей типу 18-10. Однак, використання його для мокрого підводного зварювання високолегованих сталей неможливо. Як вказувалося вище, в зв'язку з сильним окислювальним впливом навколишнього середовища (води) при підводному зварюванні, відбувається окислювання легуючих елементів: марганцю, хрому та інш. В результаті поверхня наплавленого металу сильно окислена, метал перепалений, складається практично з "грату", формування його погане. Отже, не забезпечуються зварювально-технологичні властивості порошкового дроту при мокрому підводному зварюванні, що робить порошковий дріт непридатним для цих цілей. Крім того, вказаний порошковий дріт забезпечує наплавлений метал типу 18-10 і не може бути застосований для зварювання сталей інших класів, наприклад, сталей типу 17-13-3. Сталі, які застосовуються в підводних металоконструкціях, відносяться до сталей різного типу легування, а саме: високолегованих корозійностійких сталей аустенітно-феритного класу типу 1810(08Х18Н9Т, 12Х18Н10Т, 12Х18Н12Т та їм подібних), сталей феритно-аустенітного класу типу 225(03Х22Н5АМ3, 08Х22Н6Т, 08Х21Н5Т, 08Х21Н6М2Т та їм подібних). Крім того, є сталь типу 18-10, що містить молібден -08Х19Н11М3. В той же час, найбільшу корозійну стійкість в морській воді мають чисто аустенітні хромонікелеві сталі з вмістом молібдену в кількості до 3,5мас.%, тобто сталі типу 17-13-3, а саме: (08Х17Н13М2Т, 10Х17Н13М2Т, 10Х17Н13М2Т, 08Х17Н16М3Т, 03Х21Н21М4Б та їм подібні). Розробка порошкового дроту для мокрого підводного зварювання високолегованих хромонікельмолібденових сталей типу 17-13-3 представляється ще більш складною задачею. 5 Необхідно передбачити міри, що усувають несприятливий вплив водневого середовища. Поряд із забезпеченням мір, що сприяють зменшенню впливу водню, необхідно задіяти фактори, що сприяють зменшенню, чи усуненню шкідливого впливу окисного потенціалу середовища. Задачею винаходу є створення порошкового дроту для мокрого підводного зварювання високолегованих хромонікельмолібденових сталей типу 17-13-3, що забезпечує високі зварювальнотехнологічні властивості порошкового дроту і одержання механічних властивостей металу і звареного з'єднання, а також якості металу шва, що задовольняють вимогам класу В "Специфікації для підвідного зварювання" AWS/ANSI D3.6. Поставлена задача вирішується тим, що порошковий дріт (ПД), який складається з металевої оболонки, виготовленої з нержавіючої хромистої сталі з вмістом хрому 24,0...27,0% і шихти, що містить електролітичний нікель, металевий марганець, фероніобій, рутил, магнезит, гексафторсилікат натрію, калій-натрієву силікатну брилу, згідно винаходу, що шихта додатково містить молібден, флюоритовий концентрат, літій фтористий, кріоліт, чотирьохфтористий цирконій і алюмінієвий порошок при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: електролітичний нікель 15,0...45,0 металевий марганець 1,5...16,0 молібден 5,0...12,0 фероніобій 1,0...6,0 рутил 0,5...3,0 магнезит 0,5...10,0 гексафторсилікат натрію 0,2...1,5 калій-натрієва силікатна брила 0,1...2,0 флюоритовий концентрат 30,0...45,0 літій фтористий 0,5...7,5 кріоліт 1,0...4,0 чотирьохфтористий цирконій 0,5...1,0 алюмінієвий порошок 0,2...2,5 При цьому коефіцієнт заповнення порошкового дроту складає 30,0...50,0%. При використанні в якості оболонки стрічки з нержавіючої хромистої сталі з вмістом хрому 24,0...27,0%, в залежності від дійсного вмісту хрому в стрічці та від необхідного коефіцієнту заповнення дроту, легування наплавленого металу хромом здійснюється або цілком оболонкою, тобто хром в шихті зовсім відсутній, або додатково знаходиться в шихті в кількості 1,0...18,0мас.%, тобто забезпечення в наплавленому металі хрому в кількості 18,0...23,0мас.% відбувається переважно за рахунок оболонки, що сприяє підвищенню надійності легування хромом і, отже підвищенню надійності забезпечення корозійної стійкості металу шва. Слід зазначити, що вміст хрому в оболонці в кількості 24,0...27,0мас.% передбачає застосування стрічки с зазначеним вмістом хрому в оболонці дроту, який був отриманий при виготовлені стрічки. Таким чином, при застосуванні стрічки різних типорозмірів забезпечується можливість отримання порошкових дротів широкої номенклатури, як по диаметрам (від 1,6мм до 2,4мм), так і по вмісту 89262 6 хрому в наплавленому металі, на рівні (18,0...23,0)мас.%. Введення великої кількості фторидів, а саме, флюоритового концентрату (CaF2) в кількості 30,0...45,0мас.%, літію фтористого (LiF) у кількості 0,5...7,5мас.%, кріоліту (Na3AlF6) в кількості 1,0...4,0мас.%, а також чотирьохфтористого цирконію (ZrF4) в кількості 0,5...1,0мас.% поряд з присутнім у дроті гексафторсилікатом натрію (Na2SiF6) в кількості 0,2...1,5мас.% сприяє збагаченню реакційної зони фтором. Фтор в зв'язку з винятково високої спорідненості до водню з'єднується з останнім і утворює нерозчинний у металі фтористий водень (HF). При цьому зміст водню в металі шва зменшується, що істотно підвищує якість металу шва. Термічна стійкість, фторидів, які вводяться, різна, а також, і ступінь їхньої дисоціації. Гексафторсилікат натрію (Na2SiF6) розкладається з утворенням SiF4 , що найбільше легко реагує з воднем в температурному діапазоні 450...720°С. Випаровування (AlF3) із кріоліту (Na3AlF6) відбувається при температурі Т=1000°С. Розкладання фтористого кальцію (CaF2), фтористого літію (LiF) і чотирьохфтористого цирконію (ZrF4) відбувається при більш високих температурах, більш 1000°С, практично в температурному діапазоні Т=1300...2000°С, тобто на стадії краплі. Крім того, лужні метали натрій, літій і лужноземельні, кальцій утворюють з воднем гідриди, нерозчинні в металі. Таким чином, вирішується проблема зв'язування водню в широкому температурному діапазоні, як у газовому середовищі, так і в шлаковій системі. Нижні межі додатково введених фторидів обрані з урахуванням їх впливу на здатність до зв'язування водню, а отже, підвищенню якості металу шва і зниженню схильності до пористості. Причому, при змісті їх у кількостях менш зазначених нижніх межах, а саме: флюоритового концентрату менш 30,0мас.%, літію фтористого менш 0,5мас.%, кріоліту менш 1,0мас.%, чотирьохфтористого цирконію менш 0,5мас %, при змісті гексафторсилікату натрію в кількості менш 0,2мас.% вплив перерахованих фторидів не виявляється. Введення їх в кількостях, що перевищують верхні межі по змісту, а саме: флюоритового концентрату більш 45,0мас.%, літію фтористого більш 7,5мас.%, кріоліту більш 4,0мас.%, чотирьохфтористого цирконію більш 1,0мас %, гексафторсилікату натрію більш 1,5мас.% приводить до погіршення зварювально-технологічних властивостей порошкового дроту. Комплексне введення фторидів є більш ефективним, ніж введення кожного з фторидів окремо, навіть в кількостях, що перевищують зазначений зміст. Магнезит, рутил і флюоритовий концентрат є основними шлакоутворюючими компонентами шихти порошкового дроту. Зміст магнезиту в складі шихти в кількості 0,5...10,0мас.% разом з рутилом в кількості 0,5...3,0мас.% і, додатково введеними в склад шихти флюоритовим концентратом в кількості 30,0...45,0мас.% і фторидами в зазначених межах, а саме: літію фтористого 0,5...7,5мас.%, кріоліту - 1,0...4,0мас.%, чотирьохфтористого цирконію - 0,5...1,0мас.%, а також при 7 наявності гексафторсилікату натрію в кількості 0,2...1,5мас.% сприяє одержанню комплексу фізико-хімічних властивостей шлаку, що забезпечує оптимальне поєднання зварювальнотехнологічних властивостей порошкового дроту для мокрого підводного зварювання високолегованих сталей. Лужні і лужноземельні елементи (натрій, калій, літій, кальцій), що входять до складу з'єднань шихти порошкового дроту (силікатна брила, флюоритовий концентрат, літій фтористий, кріоліт) мають низькі значення роботи виходу електронів (φ) у наслідок чого є ефективними стабілізаторами дуги, що є особливо важливим при мокрому підводному зварюванні. Крім того, пари перерахованих вище елементів, здатні зв'язувати кисень у газовій фазі в зв'язку їхньої сильної спорідненості до кисню. Алюміній і цирконій є найбільш активними розкислювачами, здатність яких до розкислювання виявляється у всьому температурному діапазоні, починаючи від температури Т=2300°С (температура краплі), так і при більш низьких температурах Т=1700°С (температура рідкого металу вани) і навіть при температурі кристалізації металу шва Т=1500°С. Межі по введенню чотирьохфтористого цирконію в кількості 0,5...1,0мас.% і алюмінієвого порошку в кількості 0,2...2,5мас.% обрані з урахуванням забезпечення необхідного і достатнього розкислення наплавленого металу. При вмісті чотирьофтористого цирконію в кількості менш 0,5мас.% і алюмінієвого порошку в кількості менш 0,2мас.% не забезпечується достатній ступінь розкислення наплавленого металу, а отже, одержання якісного наплавленого металу. Введення алюмінієвого порошку в кількості більш 2,5мас.% погіршує зварювально-технологічні властивості порошкового дроту, відбувається дестабілізація процесу зварювання, підвищується розбризкування. При вмісті чотирьофтористого цирконію в шихті порошкового дроту більш 1,0мас.% збільшується кількість неметалічних включень у металі шва, знижується пластичність металу. Наявність у порошковому дроті нікелю електролітичного в кількості 15,0...45,0мас.% обумовлено забезпеченням хромонікелевого наплавленого металу нікелем в кількості 5,0...24,0мас.%. Металевий марганець вводиться в якості розкислювача і як легуючий елемент. Межі по легуванню наплавленого металу ніобієм обрані з розрахунку виконання наступного співвідношення: Nb≤8∙С, тобто зміст ніобію повинен в вісім разів перевершувати зміст вуглецю в наплавленому металі. При змісті фероніобія в дроті менш 1,0мас.%, що відповідає вмісту фероніобія в наплавленому металі 0,3мас.% співвідношення Nb≤8∙С виконуватися не буде, тобто ефект стабілізації реалізується не цілком. Введення в порошковий дріт фероніобія більш 6,0мас.% приводить до зниження пластичних властивостей металу шва. Межі легування по марганцю (1,5...16,0мас.%) та молібдену (5,0...12,0мас.%) обрані, виходячи з умови забезпечення необхідних значень Сr экв. і Ni экв. , тобто при обраних межах легування наплавленого ме 89262 8 талу хромом, молібденом, нікелем, марганцем, ніобієм в останньому забезпечується необхідне легування вказаними елементами. Таким чином, наявність рутилового концентрату, магнезиту, гексафторсиліката натрію, калійнатрієвої силікатної брили, флюоритового концентрату, літію фтористого, кріоліту, чотирьохфтористого цирконію забезпечує гарні зварювальнотехнологічні властивості при мокрому підводному зварюванні високолегованих сталей типу 17-13-3, а саме: гарне формування металу шва, високу стійкість проти пористості, стабільне горіння дуги. Введення легуючих елементів у зазначених межах забезпечує одержання необхідного хімічного складу наплавленого металу, якості металу шва і механічних властивостей металу шва та зварного з'єднання, що відповідають вимогам класу В AWS/ANSI D3.6 "Специфікації по підвідному зварюванню". Для оцінки зварювально-технологічних властивостей запропонованого (ПД), механічних властивостей металу шва і зварного з'єднання, а також якості отриманого металу шва, були виготовлені порошкові дроти. Коефіцієнт заповнення складав 30,0...50,0мас.%. В табл.1 наведений склад шихти порошкового дроту для мокрого підводного зварювання високолегованих хромонікельмолібденових сталей типу 17-13-3 (базовий склад), в табл.2 наведен склад оболонки, що застосовується при виготовленні порошкових дротів. В табл.3 наведений склад шихти порошкового дроту для мокрого підводного зварювання високолегованих хромонікельмолібденових сталей типу 17-13-3 з додатковим вмістом металевого хрому. Дроти №1...3 відповідають складам, запропонованого порошкового дроту для мокрого підводного зварювання високолегованих хромонікельмолібденових сталей типу 17-13-3 наведеним в табл.1, 3, дроти №4, 5 - не відповідають складам запропонованого порошкового дроту для мокрого підводного зварювання високолегованих хромонікельмолібденових сталей типу 17-13-3, що заявляється. Були проведені іспити запропонованого порошкового дроту. Вони включали зварювання стикових з'єднань і їхнього іспиту для визначення механічних властивостей металу шва і зварного з'єднання. Відповідно до вимог до металу шва і зварного з'єднання по класу В AWS/ANSI D3.6 механічні властивості повинні бути не менш 80% від властивостей основного металу. Кут загину зварних з'єднань повинен бути не менш 120°. Якість металу шва (наявність пор, шлакових включень, тріщин) повинне бути оцінене на мікрошліфах при 5-ти кратному збільшенні. В якості основного металу використовували сталь 10Х17Н13М2Т, δ=14мм. Зварювання виконували в лабораторному басейні на глибині 1м напівавтоматом А-1616. Межа міцності основного металу 10Х17ШЗМ2Т не менш 530Мпа. Зварювально-технологічні властивості ПД визначали візуально. Результати іспитів порошкового дроту для мокрого підводного зварювання високолегованих хромонікельмолібденових сталей 9 89262 типу 17-13-3, згідно складам з табл.1, наведені в табл.4. Результати іспитів порошкового дроту для мокрого підводного зварювання високолегованих хромонікельмолібденових сталей типу 17-13-3, згідно складам з табл.3, наведені в табл.5. Їх аналіз дозволяє зробити наступні висновки. ПД складу, що заявляється, (дроти №1...3) забезпечують гарні зварювально-технологічні властивості (стійке горіння дуги, гарне формування наплавленого металу, відсутність пригару). При зварюванні дротом складу №4 спостерігається низька стабільність горіння дуги, розбризкування наплавленого металу, погане формування. 10 Поверхня металу, наплавленого дротом складу №5 окислена, з'являється пригар. Таким чином, склад ПД, що заявляється, забезпечує гарні зварювально-технологічні властивості ПД при мокрому підводному зварюванні високолегованих хромонікельмолібденових сталей типу 17-13-3 і одержання механічних властивостей металу шва і зварного з'єднання, а також якість металу шва, що задовольняють вимогам класу В AWS/ANSI D3.6 "Специфікації для підводного зварювання" і може бути рекомендований для використання при ремонті підводних споруд і металоконструкцій. Таблиця 1 Склад шихти порошкового дроту для мокрого підводного зварювання високолегованих хромонікельмолібденових сталей типу 17-13-3 (базовий) № п/п 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12 13. Найменування компонентів електролітичний нікель молібден фероніобій рутил флюоритовий концентрат магнезіт гексафторсилікат натрію калій-натрієва силікатна брила металевий марганець літій фтористий кріоліт чотирьохфтористый цирконій алюмінієвий порошок 1 15,0 12,0 3,0 0,5 45,0 5,0 0,2 2,0 8,0 7,5 1,0 0,6 0,2 Склад шихт порошкового дроту, мас. % Номер дроту 2 3 4 24,5 45,0 48,0 5,0 8,0 0 6,0 1,0 7,0 2,5 3,0 4,0 30,0 27,0 6,0 10,0 0,5 0 1,0 1,5 2,0 0,1 1,5 0 16,0 1,5 17,0 0,5 4,0 8,0 1,9 4,0 5,0 1,0 0,5 0 1,5 2,5 3,0 5 12,0 15,0 0 0 50,0 15,0 0 5,0 0 0 0 3,0 0 Таблиця 2 Хімічний склад оболонки, який застосовується для виготовлення порошкового дроту для мокрого підводного зварювання високолегованих хромонікельмолібденових сталей типу 17-13-3 Номер плавки 1 2 3 Хром 27,0 25,1 24,5 Химический склад оболонки, мас. % Залізо 72,131 73,969 75,328 Решта 0,869 0,931 0,172 Таблиця 3 Склад шихти порошкового дроту для мокрого підводного зварювання високолегованих хромонікельмолібденових сталей типу 17-13-3 з додатковим вмістом металевого хрому № п/п 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Найменування компонентів електролітичний нікель молібден металевий хром фероніобій рутил флюоритовий концентрат магнезіт 1 15,0 5,0 18,0 3,4 0,5 45,0 2,0 Склад шихт порошкового дроту, мас. % Номер дроту 2 3 4 20,0 45,0 50,0 12,0 6,5 0 1,0 3,0 0 6,0 1,0 0,5 1,1 3,0 3,5 30,0 32,0 20,0 10,0 0,5 11,5 5 5,0 0 20,0 7,0 0 48,0 0 11 89262 12 Продовження таблиці 3 8. 9. 10. 11. 12 13. 14. гексафторсилікат натрію калій-натрієва силікатна брила металевий марганець літій фтористий кріоліт чотирьохфтористий цирконій алюмінієвий порошок 0,2 2,0 3,5 0,5 4,0 0,7 0,2 1,0 0,1 15,0 0,9 1,0 1,0 0,9 1,5 0,5 1,5 1,0 1,5 0,5 2,5 2,0 0 0 4,0 5,5 0 3,0 0 2,5 16,0 0 0 1,5 0 Таблиця 4 Результати іспитів порошкового дроту для мокрого підводного зварювання високолегованих хромонікельмолібденових сталей типу 17-13-3,згідно складам наведеним в табл.1 Номера дротів 1 2 3 4 5 Механічні властивості шва і зварного з'єднання Межа міцності, σв, МПа Кут загину, град 480,0 130,0 500,0 140,0 520,0 150,0 580,0 90,0 400,0 100,0 Якість металу шва (наявність пор, шлакових включень, тріщин) немає немає немає є тріщина є шлакові включення Таблиця 5 Результати іспитів порошкового дроту для мокрого підводного зварювання високолегованих хромонікельмолібденових сталей типу 17-13-3,згідно складам наведеним в табл.3 Номера дротів 1 2 3 4 5 Механічні властивості шва і зварного з'єднання Межа міцності, σв, МПа Кут загину, град 520,0 140,0 530,0 130,0 525,0 150,0 580,0 90,0 620,0 75,0 Комп’ютерна верстка Т. Чепелева Підписне Якість металу шва (наявність пор, шлакових включень, тріщин) немає немає немає є тріщина є шлакові включення Тираж 26 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