Електродне покриття для мокрого підводного зварювання високолегованих сталей типу 18-10

Реферат: Винахід належить до області зварювання, а саме до зварювальних матеріалів, зокрема до електродів, призначених для ручного дугового мокрого підводного зварювання, переважно корозійностійких високолегованих хромонікелевих сталей типу 18-10. Поставлена задача вирішується тим, що електродне покриття для мокрого підводного зварювання високолегованих хромонікелевих сталей типу 18-10, що містить мармур, плавиковий шпат, марганець, фероніобій, двоокис титану, яке відрізняється тим, що до складу покриття додатково введені (хром металевий та нікелевий порошок), розкислювачі - феротитан та феросиліцій (взяті разом або окремо), пластифікуючі домішки, а саме - слюду мусковіт, соду кальциновану, причому компоненти покриття взяті в наступному співвідношенні, в мас %: плавиково-шпатовий концентрат 36,0...42,0; мармур 14,0.. 18,0; марганець металевий 3,5...5,0; фероніобій 1,5...8,5; двоокис титану 10,0... 12,0; легуючі (хром металевий, нікелевий порошок) 11,8...20,0; розкислювачі (феротитан, феросиліцій) 6,0... 10,0; пластифікуючі домішки (слюда мусковіт, сода кальцинована) 1,0...2,0. При цьому співвідношення плавикового шпату до мармуру CaF2/CaCO3 складає 2,0...3,0. Електродне покриття, що заявляється, забезпечує гарні зварювально-технологічні властивості електродного покриття при мокрому підводному зварюванні високолегованих хромонікелевих сталей типу 18-10; одержання механічних властивостей металу шва і зварного з'єднання та UA 100750 C2 (12) UA 100750 C2 хімічного складу наплавленого металу, що відповідають типу Э-08Х20Н9Г2Б за ГОСТ 10052-75. При цьому, якість металу шва також задовольняє вимогам класу В AWS/ANSI D3.6 «Специфікації для підводного зварювання». Завдяки цьому воно може бути рекомендоване для використання при ремонті підводних споруд і металоконструкцій. UA 100750 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 Винахід відноситься до області зварювання, а саме, до зварювальних матеріалів, зокрема до електродів, призначених для ручного дугового мокрого підводного зварювання, переважно корозійностійких високолегованих хромонікелевих сталей типу 18-10. Проблема зварювання підводних металоконструкцій з корозійностійких високолегованих хромонікелевих сталей типу 18-10 на сьогоднішній день не вирішена. Розроблені покриті електроди призначені для мокрого підводного зварювання низьковуглецевих та низьколегованих сталей типу СтЗ, 09Г2С, 19Г, а також для низьколегованих сталей підвищеної міцності типу 17Г1С. Відомі також електродні покриття, які призначені для зварювання високолегованих хромонікелевих сталей типу 18-10 на повітрі. Основними труднощами при мокрому підводному зварюванні низьколегованих і низьковуглецевих сталей є велика швидкість охолодження, а також насичення металу шва і ЗТВ воднем, його перерозподіл, внаслідок чого знижується технологічна міцність зварного з'єднання. Дуга, що горить під водою, знаходиться в парогазовому об'ємі, який постійно змінюється. Атмосфера парогазового міхура розбавляється парами металів та газами, що виділяються з компонентів електродного покриття та продуктами дисоціації водяної пари. Отже, при розробці покритих електродів для мокрого підводного зварювання необхідно передбачити міри, що сприяють зменшенню або усуненню цих несприятливих факторів. Одним із дієвих способів, що застосовуються в практиці розробки зварювальних матеріалів є введення до складу електродного покриття фтористих з'єднань, що утворюють з воднем нерозчинні в рідкому металі хімічні сполуки. В деяких складах електродних покриттів використовується інший спосіб забезпечення можливості зварювання сталі підвищеної міцності - шляхом одержання аустенітної структури металу шва. Саме такий підхід був реалізований при розробці електродів для мокрого підводного зварювання конструкційних сталей підвищеної міцності (А.С.СРСР №1549706) взятий нами в якості аналога. У складі покриття відомих електродів міститься, в мас. %: Мармур 14,0…16,0 Плавиковий концентрат 24,0…26,0 Польовий шпат 3,0…5,0 Феромарганець 9,0…11,0 Феротитан 4,0…6,0 Феросиліцій 4,0…6,0 Поташ 0,5…1,0 Двоокис титану решта При цьому, в якості електродного стрижня використовується зварювальний дріт марок Св10×16Н25АМ6 або Св-10×16Н24АМ2. Покриття відомих електродів суттєво відрізняється від запропонованого як за хімічним складом, так і за призначенням, тому не може бути застосоване для зварювання високолегованих хромонікелевих сталей типу 18-10. Відомий також електрод для підводного зварювання [Патент України №81058 від 26.11.2007р. В23К 35/36] взятий нами також в якості аналога, який складається зі стрижня із високолегованого дроту системи легування на основі нікелю і хрому та покриття, що містить рутиловий концентрат, польовий шпат, флюорит та феросиліцій, який відрізняється тим, що значення нікелевого та хромового еквівалентів дроту обмежені такими величинами, мас. %: Nieкв 19…32 Crекв 21…33 Флюорит 22,0…31,0 Рутиловий концентрат 22,0…37,0 Окис заліза 15,0…31,0 Польовий шпат 8,0…13,0 Магнезит металургійний 4,0…9,0 Феросиліцій 0,5…2,0 Карбоксиметалцелюлоза 1,5…2,0 Електрод по зазначеному патенту призначений для ручного підводного мокрого зварювання низьковуглецевих та низьколегованих сталей підвищеної міцності. Тому, його використання для зварювання високо легованих корозійностійких сталей типу 18-10 не можливе. Найбільш близьким до винаходу, що заявляється є склад електродного покриття для зварювання на повітрі корозійностійких сталей типу 18-10 (А.С. СРСР № 297454) обраний нами в якості прототипу. Електродне покриття містить в мас. %: 1 UA 100750 C2 5 10 Вуглекислий калій 1,0…2,0 Марганець 5,0…8,0 Кремній 3,0…6,0 Мармур 35,0…45,0 Плавиковий шпат 32,0…40,0 Двоокис титану 3,0…6,0 Фероніобій 4,0…7,0 Електроди з відомим покриттям для мокрого підводного зварювання не придатні. Разом із тим вони призначені для зварювання сталей типу 18-10 та по складу покриття найбільш близькі до запропонованого. У складі відомого покриття у великій кількості (35,0…45,0 мас. %) використовується мармур, при розкладі якого виділяється вуглекислий газ (СО 2), котрий не тільки захищає розплавлений метал від азоту повітря, але і окислює метал. В умовах мокрого підводного зварювання немає необхідності захисту розплавленого металу від впливу азоту, однак підсилюється окислювальний вплив на метал за рахунок кисню, який утворюється внаслідок термічної дисоціації та електролізу води. Крім того, проходить наводнення металу шва. У зв'язку з сильним окислювальним впливом навколишнього середовища (води) при підводному зварюванні, відбувається окислення легуючих елементів: мангану, хрому, кремнію та інших. В табл.1 наведені результати аналізу хімічного складу металу, наплавленого електродами з відомим покриттям на повітрі та під водою. Таблиця 1 Аналіз хімічного складу металу, наплавленого електродами з покриттям прототипом на повітрі та під водою Умови виконання наплавки На повітрі Під водою Вміст елементів в наплавленому металі елементів, мас. % Сr Ni Мn Nb Si О H 21,5 8,0 1,3 1,3 0,8 0,051 0,0010 20,0 7,0 0,9 0,43 0,55 0,012 0,0055 15 20 25 30 35 Вказані зміни хімічного складу металу призводять до його засмічення неметалевими включеннями та пористості зварних швів, крім того поверхня наплавленого металу сильно окислена, метал перепалений, формування його погане, отже не забезпечуються зварювальнотехнологічні властивості електроду при мокрому підводному зварюванні, що робить його не придатним для цих цілей. Отже, розробка покритих електродів для мокрого підводного зварювання високолегованих хромонікелевих сталей типу 18-10 представляється складною задачею. Необхідно передбачити міри, що усувають несприятливий вплив водного середовища. Поряд із забезпеченням мір, що сприяють зменшенню впливу водню, необхідно задіяти фактори, що сприяють зменшенню, чи усуненню шкідливого впливу окислювального потенціалу середовища. Задачею винаходу є створення покриття електродів для мокрого підводного зварювання високолегованих хромонікелевих сталей типу 18-10, що забезпечує високі зварювальнотехнологічні властивості покритого електроду і одержання механічних властивостей металу і зварного з'єднання, а також якості металу шва, що задовольняють вимогам класу В "Специфікації для підводного зварювання" AWS/ANSI D3.6. Поставлена задача вирішується тим, що електродне покриття для мокрого підводного зварювання високолегованих хромонікелевих сталей типу 18-10, що містить мармур, плавиковий шпат, марганець, фероніобій, двоокис титану, яке відрізняється тим, що до складу покриття додатково введені (хром металевий та нікелевий порошок), розкислювачі - феротитан та феросиліцій (взяті разом, або окремо), пластифікуючі домішки, а саме - слюду мусковіт, соду кальциновану, причому компоненти покриття взяті в наступному співвідношенні, в мас. %: Плавиково-шпатовий концентрат 36,0…42,0 Мармур 14,0…18,0 Сумарний вміст мармуру та плавикового шпату 54,0…56,0 Марганець металевий 3,5…5,0 Фероніобій 1,5…8,5 Двоокис титану 10,0…12,0 Легуючі (хром металевий, нікелевий порошок) 11,8…20,0 Розкислювачі (феротитан, феросиліцій) 6,0…10,0 2 UA 100750 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Пластифікуючі домішки (слюда мусковіт, сода кальцинована) 1,0…2,0 Причому, співвідношення плавикового шпату до мармуру CaF2/CaCO3 складає 2,0…3,0. Для зниження окислюючого впливу на розплавлений метал у складі запропонованого покриття зменшено вміст мармуру (СаСО3), збільшено вміст плавикового шпату (CaF2) та двоокису титану (ТіО2). В якості електродного стрижня використовується зварювальний дріт СВ10 × 18Н9Т. При цьому, завдяки проходженню при зварюванні високотемпературних реакцій: 2CaF2+SiO2  2СаО + SiF4 2CaF2 + ТіО2  2СаО + TiF4 Утворюються фториди, які зв'язують водень у нерозчинне у металі сполучення по реакції: RF4+2Н2О  RO2+4HF В умовах мокрого підводного зварювання найбільш ефективно такі процеси проходять, коли в електродному покритті співвідношення плавикового шпату (CaF2) до мармуру (СаСО3) знаходяться у межах 2…3, при вмісті плавикового шпату 36,0…42,0 мас. %, мармуру 14,0…18,0 мас. % при їх сумарній кількості 54…56 мас. % та вмісту двоокису титану - 10…12 мас. %. Мармур, флюоритовий концентрат та рутил є основними газошлакоутворюючими компонентами електродного покриття. Ведення в зазначених межах цих компонентів в електродне покриття сприяє одержанню комплексу фізико-хімічних властивостей шлаку, що забезпечує оптимальне поєднання зварювально-технологічних властивостей електродів для мокрого підводного зварювання високолегованих сталей. У зв'язку з тим, що в умовах мокрого підводного зварювання уникнути втрат основних легуючих елементів хрому та нікелю (Сr та Ni) не можливо, у складі запропонованого покриття додатково використовуються хром металевий та нікелевий порошок, сума яких складає 11,8…20,0 мас. %. Введення в електродне покриття нікелевого порошку та хрому металевого сума яких складає (11,8…20,0 мас. %), марганцю металевого в кількості (3,5…5,0 мас. %), та фероніобію в кількості (1,5 %…8,5 мас. %) обумовлено необхідністю легування наплавленого металу нікелем, хромом, марганцем та ніобієм в кількості, що відповідає типу наплавленого металу Э08×20Н9Г2Б по ГОСТ 10052-75. Межі використання розкислювачів, феротитану та феросиліцію в кількості (6,0…10,0 мас. %) обрані з урахуванням отримання високої стійкості швів проти пористості, низького вмісту кисню в наплавленому металі, гарного відокремлення шлакової кірки та запобігання вигорання основних легуючих елементів (хрому, нікелю, ніобію, марганцю) та інше. При вмісті розкислювачів (феросиліцію та феротитану) в електродному покритті в кількості менш ніж 6,0 мас. % в наплавленому металі спостерігається утворення пор. При вмісті в електродному покритті розкислювачів (феротитану та феросиліцію) в кількості більше 10,0 мас. % в металі шва утворюється велика кількість неметалевих включень, які знижують його пластичні властивості. Додаткове введення до складу електродного покриття хрому металевого та нікелевого порошку та інших металевих компонентів спричинює зниження технологічності електродної маси при виготовленні електродів, виникає необхідність додаткового введення в покриття пластифікуючих домішок, а саме - слюди мусковіт та соди кальцинованої в загальній кількості 1,0…2,0 мас. %. Менша за 0,5 мас. % кількість пластифікаторів не дозволяє забезпечити технологічність електродної маси при виготовленні електродів. В цьому випадку знижується пластична міцність покриття, на ньому утворюються вм'ятини та інші пошкодження. Більша за 2,0 мас. % кількість пластифікуючих домішок в покритті (слюди мусковіт та соди кальцинованої) підвищує схильність електродної маси до твердіння під час пресування електродів, в наслідок чого не забезпечується рівномірність нанесення покриття відносно стрижня. Таким чином, оптимальні кількість та співвідношення плавиково-шпатового концентрату, мармуру, двоокису титану забезпечує гарні зварювально-технологічні властивості при мокрому підводному зварюванні високолегованих сталей типу 18-10, а саме: гарне формування металу шва, високу стійкість проти пористості, легке відокремлення шлакової кірки, відсутність пригару. Введення легуючих елементів у зазначених межах забезпечує одержання необхідного хімічного складу наплавленого металу та механічних властивостей металу та зварного з'єднання, що відповідають типу наплавленого металу Э-08 × 20Н9Г2Б по ГОСТ 10052-75. Зварювально-технологічні властивості електродів та якість металу шва із запропонованим покриттям відповідають вимогам класу В AWS/ANSI D3.6 "Специфікації по підводному зварюванню". 3 UA 100750 C2 5 10 15 20 25 Для оцінки зварювально-технологічних властивостей запропонованого покриття, хімічного складу наплавленого металу та механічних властивостей зварного шва і зварного з'єднання, а також якості отриманого металу шва, були виготовлені електроди із покриттями, наведеними в табл.2. Електроди № 1…3 відповідають складам запропонованого електродного покриття для мокрого підводного зварювання високолегованих хромонікелевих сталей типу 18-10, а електроди № 4 та 5 - не відповідають складам запропонованого електродного покриття для мокрого підводного зварювання високолегованих хромонікелевих сталей типу 18-10. Далі були проведені випробування цих електродів. Для оцінки хімічного складу наплавленого металу та вмісту кисню та водню виконували п'ятишарові наплавки. Результати випробувань наведені в табл.3. Були також виконані стикові з'єднання та проведені їх випробування для визначення механічних властивостей металу шва та зварного з'єднання. Відповідно вимогам до металу шва та 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 має бути не менш 120. Якість металу шва (наявність пор, шлакових включень, тріщин) повинне бути оцінене на мікрошліфах при п'ятикратному збільшенні. В якості основного металу використовували сталь 12 × 18Н10Т, товщиною 5=14 мм. Результати випробувань наведені в табл.4. Зварювання виконували в лабораторному басейні на глибині 1 метр. Межа міцності металу 12×18Н10Т не менш 530 МПа. Результати досліджень електродів для мокрого підводного зварювання високолегованих хромонікелевих сталей типу 18-10, відповідно табл.2, наведені в табл.3 та табл.4. Їх аналіз дозволяє зробити наступні висновки. Використання електродів із запропонованим покриттям оптимального складу (№1…3 в табл.2) для мокрого підводного зварювання високолегованих сталей типу 12×18Н10Т забезпечує необхідний хімічний склад наплавленого металу та механічні властивості металу шва та зварного з'єднання, а також вміст кисню та водню в направленому металі. Відповідні дані наведені в табл.3 та табл.4. Завдяки цьому, зварні шви формуються без пор, а по механічним властивостям та хімічному складу відповідають типу Э-08×20Н9Г2Б по ГОСТ 1005275. 30 Таблиця 2 Склад покриття електродів для мокрого підводного зварювання високолегованих хромонікелевих сталей типу 18-10 Склад покриття електродів, мас. %. Номер електродів № п/п 1 2 3 4 5 Сумарний вміст мармуру та плавикового шпату, а саме: 54,0 54,5 56,0 50,0 58,0 1. Плавиковий шпат 36,0 39,0 42,0 30,0 46,0 2. Мармур 18,0 15,5 14,0 20,0 12,0 3. Марганець металевий 5,0 3,5 4,5 2,0 8,0 4. Фероніобій 3,0 8,5 1,5 1,0 9,0 5. Двоокис титану 10,0 10,5 12,0 14,0 7,0 6. Легуючі (хром металевий та нікелевий порошок) 20,0 12,0 18,0 22,0 10,0 7. Розкислювачі (феротитан та феросиліцій) 7,0 10,0 6,0 11,0 5,0 Пластифікуючі домішки (слюда мусковіт, сода 8. 1,0 1,2 2,0 0 3,0 кальцинована) Співвідношення плавикового шпату до мармуру 2,0 2,5 3,0 1,5 3,8 Найменування компонентів Таблиця 3 Хімічний склад наплавленого металу та вміст газів згідно складам наведеним в табл.2 Індекс покриття електродів 1 2 3 Хімічний склад та вміст газів в наплавленому металі, в мас. Сr Ni Мn Nb Si О 19,2 10,1 1,9 1,3 1,2 0,060 20,8 9,6 2,1 1,1 1,1 0,055 21,5 9,0 2,4 1,0 1,0 0,052 4 % Н 0,0015 0,0013 0,0012 UA 100750 C2 Продовження таблиці 3 4 5 22,5 17,5 9,2 8,5 2,0 1,0 1,2 0,6 1,2 0,7 0,015 0,020 0,0028 0,0015 Таблиця 4 Механічні властивості металу шва і зварного з'єднання згідно складам наведеним в табл.2 Номер дротів 1 2 3 4 5 5 10 15 20 Механічні властивості шва і зварного з'єднання Межа міцності, в, МПа 520 535 540 620 580 Кут загину, град 130 120 125 60 30 Якість металу шва (наявність пор, шлакових включень, тріщин) Немає Немає Немає Є шлакові включення Є пори При використанні електродів з покриттям, що заявляється, яке відрізняється за складом від оптимального (№4 в табл. 2), на поверхні наплавленого металу з'являється пригар, в металі шва велика кількість шлакових включень, внаслідок чого знижується деформаційна здатність зварного з'єднання, тобто кут загину знижується (табл. 4). Крім того, спостерігається низька технологічність обмазочної маси при виготовленні електродів. При використанні електродів з покриттям, що заявляється, яке відрізняється за складом від оптимального (№5 в табл. 2) відбувається сильне окислення легуючих елементів (табл.3), в зварних швах з'являються пори. Отже, запропоноване покриття забезпечує досягнення поставленої мети, а межі вмісту в ньому компонентів - оптимальні і цілком обґрунтовані. Таким чином, склад електродного покриття, що заявляється, забезпечує гарні зварювальнотехнологічні властивості електродного покриття при мокрому підводному зварюванні високолегованих хромонікелевих сталей типу 18-10; одержання механічних властивостей металу шва і зварного з'єднання та хімічного складу наплавленого металу, що відповідають типу Э-08 × 20Н9Г2Б за ГОСТ 10052-75. При цьому, якість металу шва також задовольняє вимогам класу В AWS/ANSI D3.6 "Специфікації для підводного зварювання". Завдяки цьому воно може бути рекомендоване для використання при ремонті підводних споруд і металоконструкцій. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 1. Електродне покриття для мокрого підводного зварювання високолегованих хромонікелевих сталей типу 18-10, що містить мармур, плавиковий шпат, марганець, фероніобій, двоокис титану, яке відрізняється тим, що до складу покриття додатково введені легуючі - хром металевий та нікелевий порошок, розкислювачі - феротитан та феросиліцій (взяті разом або окремо), пластифікуючі домішки, а саме - слюда мусковіт, сода кальцинована, причому компоненти покриття взяті в наступному співвідношенні, в мас. %: плавиковий шпат 36,0...42,0 мармур 14,0...18,0 сумарний вміст мармуру та плавикового шпату 54,0...56,0 марганець металевий 3,5...5,0 фероніобій 1,5 ... 8,5 двоокис титану 10,0...12,0 легуючі (хром металевий, нікелевий порошок) 11,8...20,0 розкислювачі (феротитан, феросиліцій) 6,0...10,0 пластифікуючі домішки (слюда мусковіт, сода кальцинована) 1,0...2,0, при цьому співвідношення плавикового шпату до мармуру складає 2,0…3,0. 2. Електродне покриття за п. 1, яке відрізняється тим, що як компонент, який містить двоокис титану, вибрано рутиловий концентрат. 3. Електродне покриття за п. 1, яке відрізняється тим, що як пластифікуючі домішки вибрали нефеліновий концентрат та поташ. 5 UA 100750 C2 4. Електродне покриття за п. 1, яке відрізняється тим, що легуючі (хром металевий та нікелевий порошок) введені у вигляді сплаву хрому та нікелю. 5. Електродне покриття за п. 1, яке відрізняється тим, що розкислювачі, які містять феротитан та феросиліцій, введені у вигляді їх сплаву. 5 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6