Зварювальний дріт для зварювання високонікелевих сплавів
Власники патенту UA 2553768:
Винахід відноситься до металургії жароміцних сплавів для зварювального дроту і може бути використане для зварювання деталей з високонікелевих сплавів високотемпературних установок з температурою експлуатації до 950 о C. Зварювальний дріт містить, мас. -0,2, марганець 1,3-2,0, хром 14,0-16,0, молібден 6,0-7,0, вольфрам 2,5-3,5, залізо 17,0-20,0, азот 0,01-0,04, ітрій 0,01-0,1, цирконій 0,05-0,15, кальцій 0,001-0,1, сірка менше 0,010, фосфор менше 0,015, нікель - інше. Зварювальний дріт характеризується підвищеними технологічною міцністю та високими короткочасними механічними властивостями та тривалою міцністю при температурах до 950 о C. 1 з.п. ф-ли, 3 табл.
Винахід відноситься до металургії жароміцних сплавів, що містять як основу нікель, хром, молібден, вольфрам, залізо, марганець, а також вуглець, кремній, цирконій, ітрій, кальцій, і призначене для зварювання високонікелевих сплавів, що застосовуються для високотемпературних установок з температур 800 до 950°C у газовому середовищі. Відомо, що для зварювання високонікелевих жароміцних сталей і сплавів для установок, що експлуатуються до температури 750°C, використовуються такі матеріали: Св-03Х15Н35Г7М6Б, Св-30Х15Н35В3Б3Т, Св-03Х20Н45Г6М6Б-ВІ [1-4]. Ці зварювальні матеріали не можуть бути використані при зварюванні деталей для високотемпературних установок з температурою експлуатації від 800 до 950°C, оскільки мають низькі значення тривалої міцності при цих температурах і низьку технологічну міцність при зварюванні, а найближчим за складом компонентів є зварювальний дріт марки Т-22 (06Х15Н35Г7В7М3Т) [5], прийнята за прототип, що містить компоненти, мас.%
Метал зварногошва, виконаний зварювальним дротом відомого складу, використовується для конструкцій, що працюють при температурах до 750°C, проте він має недостатню тривалу міцність при температурах 800-950°C, а також схильний до гарячих тріщин при зварюванні, і недостатні короткочасні механічні властивості.
Технічним результатом винаходу є створення зварювального дроту, що володіє більш високою тривалою міцністю до температури 950°C та підвищеним рівнем технологічної міцності при зварюванні та короткочасних механічних властивостей.
Технічний результат винаходу досягається за рахунок того, що в зварювальному дроті, що містить вуглець, хром, кремній, марганець, молібден, вольфрам, залізо та нікель - додатково введені азот, ітрій, цирконій і кальцій при наступному вмісті компонентів мас.%:
p align="justify"> Першочерговим завданням при створенні зварювального дроту для високонікелевих сплавів є стійкість зварного з'єднання до утворення гарячих тріщин. Кількісним критерієм є показник технологічної міцності Акр, тобто максимальна швидкість примусової деформації зразків, що зварюються, при якій не відбувається появи гарячих тріщин [6]. Чим вона вища, тим менш схильний зварний шов до утворення гарячих тріщин.
Марганець. Збільшення марганцю від 2,0 до 5,5÷7,0% (як у відомому зварювальному дроті) не підвищує (Акр), але знижує тривалу міцність, особливо при температурах 900-950°C [7]. Крім того, при виготовленні зварювального дроту з більш ніж 4% Mn неприпустимо за нормами екологічної безпеки на металургійних заводах (шкідливий вплив оксидів марганцю на людину).
Збільшення вмісту Мо і W або зміна співвідношення Mo/W призведе до більшого випадання інтерметалідних фаз, їх коагуляціїі, отже, зниження тривалої міцності.
Титан та алюміній у відомий склад електродів ЦТ-22 вводять для зміцнення за рахунок дисперсійного твердіння, пов'язаного з утворенням фази типу Ni3(Ti, Al), проте ця фаза при температурах більше 800-850°C є нестійкою, що знижує високотемпературну міцність. Для умов експлуатації при 800-950°C ці елементи призведуть до зміцнення, тому застосовувати недоцільно.
Ітрій. Іттрій вводять у зварювальний дріт для підвищення високотемпературних пластичних властивостей, тому що він очищає межі зерен від легкоплавких домішок, утворюючи з ними тугоплавкі сполуки.
Відомо [10], що введення 0,01-0,05% ітрію у високонікелевий сплав підвищує відносне подовження на 10-15% при високих температурах.
Технологічність при куванні злитків і поковок суттєво підвищується, аналогічно підвищується і Акр при зварюванні, що дозволяє зварювати високонікелеві сплави без гарячих тріщин.
Цирконій. Цирконій пов'язує вуглець і азот, створюючи дрібнодисперсні карбіди та нітриди, що сприяє підвищенню тривалої міцності. Утворення та розчинення ZrC, ZrN відбувається при температурах 1150-1250°C, тобто карбіди і нітриди цирконію мають високу стійкість при температурах експлуатації (до 950°C). Зміцнюючий вплив цирконію пояснюється тим, що, з одного боку, він є сильним розкислювачем, підвищуючи якість металу, а з іншого, будучи поверхнево активним елементом, розташовується в прикордонних обсягах і ускладнює перебіг дифузійних процесів.
Кальцій. Кальцій має велику спорідненість із сіркою, утворюючи високотемпературну сполуку CaS, що призводить до підвищення високотемпературної пластичності матеріалу за рахунок зменшення сегрегатів та очищенняматриці від сірки, при цьому знижується схильність до утворення гарячих тріщин при зварюванні.
Були виплавлені плавки пропонованого та відомого складів в індукційних печах з основним тиглем, проведена гаряча пластична обробка, що включає кування та прокатку в інтервалі температур 1180-960°C, та волочіння. Отримано дріт діаметром 1,6, 2, 3, 4 і 5 мм, що пройшло термообробку, та здійснено зварювання з використанням цього дроту пластин товщиною до 40 мм зі сплаву марки 05Х19Н50М6В3Ц, досліджено механічні властивості, тривала міцність та схильність металу тріщин при зварюванні (за показником технологічної міцності Акр).
Хімічний склад зварювального дроту наведено у таблиці 1, хімічний склад металу шва - у таблиці 2, властивості металу шва - у таблиці 3.
При цьому хімічний склад металу, що зварюється в мас.% становив: