сварочный материал для сварки хладостойких низколегированных сталей

Классы МПК:B23K35/30 с основным компонентом, плавящимся при температуре ниже 1550°C 
C22C38/12 содержащие вольфрам, тантал, молибден, ванадий или ниобий
Автор(ы):, , , ,
Патентообладатель(и):Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли РФ (Минпромторг России) (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2009-11-05
публикация патента:

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству сварочных материалов, используемых в атомной энергетике для полуавтоматической сварки в смеси защитных газов металлоконструкций из хладостойкой низколегированной стали для транспортно-упаковочных комплектов металлобетонных контейнеров (ТУК МБК), предназначенных для многоразовой транспортировки и длительного хранения отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) атомных энергетических установок, а также может использоваться в различных отраслях машиностроения для изготовления сварных конструкций и изделий, эксплуатирующихся при температурах до минус 60°С. Материал содержит углерод, кремний, марганец, никель, ниобий, ванадий, медь, железо и примеси в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,03-0,10, кремний 0,40-0,65, марганец 1,80-2,10, никель 0,10-0,30, ниобий от более 0,05 до 0,10, ванадий от 0,05 до менее 0,10, медь 0,05-0,30, железо и примеси - остальное. В качестве примесей материал содержит (мас.%): азот 0,005-0,010, кислород 0,005-0,010, серу 0,006-0,010, фосфор 0,006-0,010, мышьяк 0,005-0,010, сурьму 0,001-0,005 и олово 0,001-0,005. При этом соблюдаются следующие соотношения: V+Nbсварочный материал для сварки хладостойких низколегированных   сталей, патент № 2436663 0,15, S+Р+N22сварочный материал для сварки хладостойких низколегированных   сталей, патент № 2436663 0,030 и As+Sn+Sbсварочный материал для сварки хладостойких низколегированных   сталей, патент № 2436663 0,015. Обеспечивается ядерная и экологическая безопасность в местах длительного хранения и при транспортировке отработавшего ядерного топлива за счет обеспечения требуемой хладостойкости металла шва. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.

Формула изобретения

1. Сварочный материал для полуавтоматической сварки в смеси защитных газов хладостойких низколегированных сталей, содержащий углерод, кремний, марганец, никель, ниобий, ванадий, медь, железо и примеси, отличающийся тем, что он содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:

углерод0,03-0,10
кремний 0,40-0,65
марганец1,80-2,10
никель 0,10-0,30
ниобийот более 0,05 до 0,10
ванадий от 0,05 до менее 0,10
медь 0,05-0,30
железо и примеси остальное,


при этом суммарное содержание не превышает V+Nbсварочный материал для сварки хладостойких низколегированных   сталей, патент № 2436663 0,15.

2. Сварочный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве примесей он содержит азот, кислород, серу, фосфор, олово, сурьму и мышьяк при следующем их содержании, мас.%:

азот0,005-0,010
кислород 0,005-0,010
сера 0,006-0,010
фосфор0,006-0,010
мышьяк 0,005-0,010
сурьма0,001-0,005
олово 0,001-0,005,


при следующих ограничениях по соотношению примесных элементов:

S+Р+N 2+O2сварочный материал для сварки хладостойких низколегированных   сталей, патент № 2436663 0,030 и

As+Sn+Sbсварочный материал для сварки хладостойких низколегированных   сталей, патент № 2436663 0,015.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области производства сварочных материалов, используемых в атомной энергетике, в частности, для полуавтоматической сварки в смеси защитных газов металлоконструкций из хладостойкой низколегированной стали транспортно упаковочных комплектов металлобетонных контейнеров (ТУК МБК), предназначенных для многоразовой транспортировки и длительного хранения отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) атомных энергетических установок, а также может использоваться в различных отраслях машиностроения для изготовления сварных конструкций и изделий, эксплуатирующихся при температурах до минус 60°С.

Аналогом по химическому составу (таблица 1) предлагаемого сварочного материала служит сварочная проволока марки Св-08Г2С [ГОСТ 2246-70], содержащая (мас.%):

Углерод 0,05-0,11Сера не более 0,025
Кремний 0,70-0,95Фосфор не более 0,030
Марганец 1,8-2,1Железо Остальное
Никель не более 0,25сварочный материал для сварки хладостойких низколегированных   сталей, патент № 2436663 сварочный материал для сварки хладостойких низколегированных   сталей, патент № 2436663

Данный материал при полуавтоматической сварке в смеси защитных газов не обеспечивает хладостойкости металла шва при температуре ниже минус 20°С: KCV-20°С=79÷96 Дж/см 2; KCV-50°С=11÷17 Дж/см2 ; KCV-60°С=9÷14 Дж/см2 (таблица 2) и поэтому не может быть применен для сварки металлоконструкций ТУК МБК из хладостойкой низколегированной стали.

За прототип заявляемого сварочного материала (таблица 1) принята сварочная проволока импортного производства, содержащая (мас.%) [JP 07-276086 А, B23K 35/368, 24.10.1995, реферат, описание [0007] 2 л.]:

Углерод 0,03-0,09Ниобий 0,01-0,05
Кремний 0,20-1,00Ванадий 0,10-0,70
Марганец 0,30-3,00Медь 0,10-1,50
Никель 0,20-5,00Железо и примесиОстальное

Указанная проволока имеет комплексную систему легирования для обеспечения хладостойкости металла шва, выполненного полуавтоматическим способом сварки в смеси защитных газов, однако стабильность хладостойкости обеспечивается при температуре не ниже минус 40°С: KCV-40°C =116÷84 Дж/см2; KCV-50°C=23÷81 Дж/см2; KCV-60°C=14÷49 Дж/см 2 (таблица 2).

Техническим результатом изобретения является состав сварочного материала (таблица 1), обеспечивающий хладостойкость при температурах не менее минус 60°С металла шва сварных соединений из хладостойкой низколегированной стали при полуавтоматической сварке в смеси защитных газов. Ударная вязкость металла шва, выполненного указанным составом сварочной проволоки, составляет не менее 60 Дж/см2 при температуре минус 60°С: KCV-50°С=84÷96 Дж/см 2; KCV-60°С=64÷81 Дж/см2 (таблица 2).

Представленный в заявке технический результат достигается изменением соотношения легирующих элементов и элементов-модификаторов (ванадия и ниобия), а также ограничением содержания в проволоке серы, фосфора, азота, кислорода, цветных примесей.

Предлагается состав сварочной проволоки, содержащий, мас.%:

Углерод 0,03-0,10Азот 0,005-0,010
Кремний 0,40-0,65Мышьяк 0,005-0,010
Марганец 1,80-2,10Сурьма 0,001-0,005
Никель 0,10-0,30Олово 0,001-0,005
Ниобий от более 0,05 до 0,10 Сера0,006-0,010
Ванадий от 0,05 до менее 0,10 Фосфор 0,006-0,010
Медь0,05- 0,30 Кислород 0,005-0,010
сварочный материал для сварки хладостойких низколегированных   сталей, патент № 2436663 сварочный материал для сварки хладостойких низколегированных   сталей, патент № 2436663 Железо Остальное

При этом

- суммарное содержание элементов-модификаторов не должно превышать V+Nb=сварочный материал для сварки хладостойких низколегированных   сталей, патент № 2436663 0,15;

- суммарное содержания примесей не должно превышать S+P+N2+O2сварочный материал для сварки хладостойких низколегированных   сталей, патент № 2436663 0,030;

- суммарное содержание цветных примесей не должно превышать As+Sn+Sbсварочный материал для сварки хладостойких низколегированных   сталей, патент № 2436663 0,015.

Содержание марганца устанавливается в оптимальном пределе (1,8÷2,1)%. Минимальное содержание марганца по сравнению с прототипом увеличивается в шесть раз с учетом его выгорания при полуавтоматической сварке и необходимостью увеличения доли бейнитной составляющей в структуре металла шва для повышения хладостойкости. Верхний предел содержания марганца, по сравнению с прототипом, уменьшается на тридцать процентов для предотвращения формирования грубой игольчатой составляющей в структуре металла шва.

Содержание кремния устанавливается в оптимальном пределе (0,40÷0,65)%, позволяющем обеспечить как раскисление металла шва при сварке, так и предотвратить избыточное образование в структуре неметаллических включений типа силикатов, отрицательно влияющих на хладостойкость.

Содержание элементов-модификаторов устанавливается в оптимальных пределах: ниобия (от более 0,05 до 0,10%) и ванадия (от 0,05 до менее 0,10%). Введение элементов-модификаторов в указанных пределах приводит к формированию в металле шва оптимального количества мелкодисперсных карбидов типа VC, NbC, что позволяет обеспечить повышение хладостойкости при отрицательных температурах за счет измельчения структуры металла шва и увеличения работы распространения трещины.

В связи с тем, что избыточное количество карбидов типа VC, NbC в структуре металла шва приводит к значительному повышению прочностных свойств и снижению хладостойкости, устанавливается оптимальное суммарное содержание в проволоке элементов-модификаторов V+Nbсварочный материал для сварки хладостойких низколегированных   сталей, патент № 2436663 0,15.

Регламентирование суммарного содержания вредных примесей S+P+N2+O2сварочный материал для сварки хладостойких низколегированных   сталей, патент № 2436663 0,030 способствует повышению сопротивления хрупкому разрушению металла шва за счет снижения содержания в структуре неметаллических включений и уменьшения сегрегации вредных примесей по границам зерен и по границам фаз.

Суммарное ограничение содержания цветных примесей - As+Sb+Snсварочный материал для сварки хладостойких низколегированных   сталей, патент № 2436663 0,015 способствует повышению хладостойких свойств металла шва после проведения термической обработки - высокого отпуска.

Таким образом, задача создания нового состава сварочной проволоки заключается в изменении соотношения легирующих элементов и элементов-модификаторов (ванадия и ниобия), а также регламентированном содержании примесных элементов с целью обеспечения высоких хладостойких свойств металла шва сварных соединений из низколегированных хладостойких сталей при температурах до минус 60°С.

При легировании сварочной проволоки вне заданных пределов, в соответствии с заявленными, состав сварочной проволоки становится неоптимальным, что проявляется в снижении хладостойкости метала шва при отрицательных температурах.

На производственно-экспериментальной базе ФГУП ЦНИИ КМ "Прометей" был проведен комплекс работ по выплавке, пластической обработке и изготовлению опытной партии сварочной проволоки, изготовлены сварные пробы и проведены их испытания.

Химический состав исследованных материалов, а также результаты определения механических и хладостойких свойств представлены в табл. № 1-3. Термическая обработка (отпуск) была выполнена по стандартному режиму, соответствующему свариваемой стали и применительно к режиму отпуска элементов ТУК МБК (650±10°С - 8 ч).

Ожидаемый технико-экономический эффект при использовании предлагаемого сварочного материала выразится в сохранении ядерной и экологической безопасности в местах длительного хранения и при транспортировке отработавшего ядерного топлива, за счет обеспечения требуемой хладостойкости металла шва сварных соединений ТУК МБК при всех условиях эксплуатации, включая аварийные ситуации. Кроме того, использование при сварке безникелевого экономно легированного сварочного материала позволит значительно сократить материальные затраты при изготовления сварных конструкций и изделий, эксплуатирующихся при температурах до минус 60°С.

сварочный материал для сварки хладостойких низколегированных   сталей, патент № 2436663

Таблица 2
Результаты испытаний на ударный изгиб металла шва заявляемого и известного сварочного материала
Сварочный материал № партии условный Ударная вязкость KCV, Дж/см2
Исходное состояние после сварки После термической обработки*
-20°С-40°С -50°С -60°С-20°С -40°С -50°С-60°С
сварочный материал для сварки хладостойких низколегированных   сталей, патент № 2436663 сварочный материал для сварки хладостойких низколегированных   сталей, патент № 2436663 192 15698 78196 15896 75
сварочный материал для сварки хладостойких низколегированных   сталей, патент № 2436663 1 187151 9577 190155 9672
сварочный материал для сварки хладостойких низколегированных   сталей, патент № 2436663 сварочный материал для сварки хладостойких низколегированных   сталей, патент № 2436663 181 15192 75185 15294 70
сварочный материал для сварки хладостойких низколегированных   сталей, патент № 2436663 сварочный материал для сварки хладостойких низколегированных   сталей, патент № 2436663 186 14994 76188 14691 73
Предлагаемый 2 182147 9173 181144 8970
сварочный материал для сварки хладостойких низколегированных   сталей, патент № 2436663 сварочный материал для сварки хладостойких низколегированных   сталей, патент № 2436663 177 14389 73180 14285 67
сварочный материал для сварки хладостойких низколегированных   сталей, патент № 2436663 сварочный материал для сварки хладостойких низколегированных   сталей, патент № 2436663 183 14090 71179 13889 71
сварочный материал для сварки хладостойких низколегированных   сталей, патент № 2436663 3 179139 8569 175135 8567
сварочный материал для сварки хладостойких низколегированных   сталей, патент № 2436663 сварочный материал для сварки хладостойких низколегированных   сталей, патент № 2436663 171 13481 67168 13382 65
сварочный материал для сварки хладостойких низколегированных   сталей, патент № 2436663 сварочный материал для сварки хладостойких низколегированных   сталей, патент № 2436663 125 11628 2196 9841 14
Известный 4

(прототип)
107 10264 4990 8432 18
сварочный материал для сварки хладостойких низколегированных   сталей, патент № 2436663 сварочный материал для сварки хладостойких низколегированных   сталей, патент № 2436663 102 9681 4585 8723 21
сварочный материал для сварки хладостойких низколегированных   сталей, патент № 2436663 сварочный материал для сварки хладостойких низколегированных   сталей, патент № 2436663 96 4017 1486 3415 12
Известный 5 (аналог) 8929 1712 8325 1310
сварочный материал для сварки хладостойких низколегированных   сталей, патент № 2436663 сварочный материал для сварки хладостойких низколегированных   сталей, патент № 2436663 85 2315 1179 1911 9
* - высокий отпуск 650±10°С - 8 ч.

Таблица 3
Механические свойства* металла шва заявляемого и известного сварочного материала
Сварочный материал № партии условный В состоянии после сварки, Тисп=+20°С После термической обработки** Тисп=+20°С
Rm, МПаRp0.2 МПаА, % z, %Rm, МПа Rp0.2 МПа A, % z, %
сварочный материал для сварки хладостойких низколегированных   сталей, патент № 2436663 1 540470 3365 510440 3568
Предлагаемый 2560 48031 63540 46034 66
сварочный материал для сварки хладостойких низколегированных   сталей, патент № 2436663 3 585530 3060 560510 3163
Известный 4 (прототип)590 560 2854 576540 3260
Известный 5 (аналог)570 540 3262 550470 3363
* - среднее значение испытания двух образцов на точку,
** - высокий отпуск 650±10°С - 8 ч.

Класс B23K35/30 с основным компонентом, плавящимся при температуре ниже 1550°C 

быстрозакаленный припой из сплава на основе титана-циркония -  патент 2517096 (27.05.2014)
сварочная проволока -  патент 2511382 (10.04.2014)
пригодный для сварки, жаропрочный, стойкий к окислению сплав -  патент 2507290 (20.02.2014)
гамма/гамма' -суперсплав на основе никеля с многочисленными реакционно-активными элементами и применение указанного суперсплава в сложных системах материалов -  патент 2500827 (10.12.2013)
ролик для поддерживания и транспортирования горячего материала, имеющий наплавленный посредством сварки материал, присадочный сварочный материал, а также сварочная проволока для проведения наплавки сваркой -  патент 2499654 (27.11.2013)
аустенитный сварочный материал и способ профилактического технического обслуживания для предотвращения коррозионного растрескивания под напряжением и способ профилактического технического обслуживания для предотвращения межкристаллитной коррозии с его использованием -  патент 2488471 (27.07.2013)
сварочная проволока из нержавеющей стали с флюсовым сердечником для сварки оцинкованного стального листа и способ дуговой сварки оцинкованного стального листа с применением указанной сварочной проволоки -  патент 2482947 (27.05.2013)
сварочная проволока из низкоуглеродистой легированной стали -  патент 2477334 (10.03.2013)
способ нанесения покрытия на поверхность деталей с помощью электроконтактной сварки с использованием порошкового присадочного материала, содержащего железный порошок, и присадочный материал для его осуществления -  патент 2473413 (27.01.2013)
твердый припой -  патент 2469829 (20.12.2012)

Класс C22C38/12 содержащие вольфрам, тантал, молибден, ванадий или ниобий

стальной лист и стальной лист с покрытием, обладающий превосходной формуемостью, и способ его производства -  патент 2524030 (27.07.2014)
способ получения металлоизделия с заданным структурным состоянием -  патент 2516213 (20.05.2014)
малоуглеродистая легированная сталь -  патент 2505619 (27.01.2014)
низколегированная конструкционная сталь с повышенной прочностью -  патент 2505618 (27.01.2014)
способ термической обработки монокристаллов ферромагнитного сплава fe-ni-co-al-nb с термоупругими - ' мартенситными превращениями -  патент 2495946 (20.10.2013)
низкоуглеродистая низколегированная сталь для изготовления крупного горячекатаного сортового и фасонного проката -  патент 2495148 (10.10.2013)
неориентированная магнитная листовая сталь и способ ее изготовления -  патент 2485186 (20.06.2013)
высокопрочный свариваемый арматурный профиль -  патент 2478727 (10.04.2013)
стальной лист для производства магистральной трубы с превосходной прочностью и пластичностью и способ изготовления стального листа -  патент 2478133 (27.03.2013)
рельсовая сталь с превосходным сочетанием характеристик износостойкости и усталостной прочности при контакте качения -  патент 2459009 (20.08.2012)
Наверх