RU2465110C1

RU2465110C1 - Welding current composition

Info

Publication number: RU2465110C1
Application number: RU2011131641/02A
Authority: RU
Inventors: Алексей Сергеевич Орыщенко (RU); Алексей Сергеевич Орыщенко; Георгий Павлович Карзов (RU); Георгий Павлович Карзов; Сергей Николаевич Галяткин (RU); Сергей Николаевич Галяткин; Эмма Ивановна Михалева (RU); Эмма Ивановна Михалева; Ирина Анатольевна Морозовская (RU); Ирина Анатольевна Морозовская; Александр Николаевич Лапин (RU); Александр Николаевич Лапин; Михаил Николаевич Тимофеев (RU); Михаил Николаевич Тимофеев; Роман Александрович Ворона (RU); Роман Александрович Ворона
Priority date: 2011-07-27
Filing date: 2011-07-27
Publication date: 2012-10-27

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention relates to metallurgy of compound-alloy welding materials and may be used for manual and automatic welding of high-nickel alloys parts. Proposed welding wire comprises the following components in wt %: carbon 0.001-0.030, silicon 0.01-0.20, manganese 0.6-2.0, chromium 19.0-20.5, nickel 44.0-47.0, molybdenum 3.3-4.3, niobium 0.7-1.0, cobalt 0.005-0.100, aluminium 0.001-0.010, yttrium 0.01-0.15, nitrogen 0.001-0.020, sulfur 0.001-0.020, phosphorus 0.001-0.025, copper 0.005-0.200, iron making the rest. Note here that (P+0.5Cu)x(0.5Mn+Ni)≤3.04.

EFFECT: weld metal with higher and prolonged durability, high creep strength.

3 tbl

Description

Изобретение относится к металлургии сложнолегированных сварочных материалов и может быть использовано для ручной и автоматической сварки деталей из высоконикелевых сплавов.The invention relates to metallurgy of complex alloyed welding materials and can be used for manual and automatic welding of parts made of high nickel alloys.

Разработка новых энергетических установок с повышенными рабочими параметрами делает актуальным создание сварочных материалов, способных обеспечить получение сварных соединений с требуемым комплексом служебных свойств при рабочих температурах в интервале 750-900°С.The development of new power plants with increased operating parameters makes it important to create welding materials that can provide welded joints with the required range of service properties at operating temperatures in the range of 750-900 ° C.

В настоящее время при изготовлении энергетического оборудования применяются высоконикелевые сплавы 10Х15Н36В3Т-ВД по ТУ 14-1-1665-76 и 03Х21Н32МЗБ по ТУ 14-1-769-73. Для изготовления сварных конструкций из этих сплавов широко применяется сварочная проволока Св-03Х15Н35Г7М6Б (ЭП 855) по ТУ14-1-2143-77.Currently, high-nickel alloys 10X15H36V3T-VD according to TU 14-1-1665-76 and 03X21N32MZB according to TU 14-1-769-73 are used in the manufacture of power equipment. For the manufacture of welded structures from these alloys, the Sv-03Kh15N35G7M6B welding wire (EP 855) according to TU14-1-2143-77 is widely used.

Сварочная проволока марки Св-03Х15Н35Г7М6Б имеет следующий химический состав, %:Welding wire of the brand Sv-03X15H35G7M6B has the following chemical composition,%:

УглеродCarbon ≤0,03≤0.03 НиобийNiobium 1,40-1,801.40-1.80 КремнийSilicon ≤0,30≤0.30 СераSulfur ≤0,020≤0.020 МарганецManganese 6,0-7,56.0-7.5 ФосфорPhosphorus ≤0,020≤0.020 ХромChromium 14,0-16,014.0-16.0 НикельNickel 34,0-36,034.0-36.0 МолибденMolybdenum 6,0-7,56.0-7.5 ЖелезоIron ОстальноеRest

Недостатком известного состава сварочной проволоки является значительное снижение длительной прочности и сопротивления ползучести при температурах эксплуатации свыше 750°С.Кроме этого, указанные сварочные материалы характеризуются склонностью к образованию горячих трещин в металле шва. Применение указанного состава невозможно в условиях нейтронного облучения из-за склонности металла шва к охрупчиванию и распуханию под воздействием радиации.A disadvantage of the known composition of the welding wire is a significant reduction in long-term strength and creep resistance at operating temperatures above 750 ° C. In addition, these welding materials are prone to the formation of hot cracks in the weld metal. The use of this composition is impossible under neutron irradiation due to the tendency of the weld metal to embrittlement and swelling under the influence of radiation.

Наиболее близким к заявленному составу является состав сварочной проволоки Св-ХН45МГБч по ТУ 14-1-4490-88 (прототип), имеющий следующий химический состав, %:Closest to the claimed composition is the composition of the welding wire Sv-KhN45MGBh according to TU 14-1-4490-88 (prototype), having the following chemical composition,%:

УглеродCarbon ≤0,03≤0.03 АзотNitrogen ≤0,02≤0.02 КремнийSilicon ≤0,2≤0.2 ИттрийYttrium ≤0,15≤0.15 МарганецManganese 0,6-1,50.6-1.5 СераSulfur ≤0,02≤0.02 ХромChromium 19,0-20,519.0-20.5 ФосфорPhosphorus ≤0,015≤0.015 НикельNickel 44,0-46,044.0-46.0 АлюминийAluminum ≤0,01≤0.01 МолибденMolybdenum 3,3-4,33.3-4.3 ЖелезоIron ОстальноеRest НиобийNiobium 0,7-1,00.7-1.0

Указанный состав отличается высокими сварочно-технологическими свойствами. Металл шва, полученный с использованием указанной проволоки, не склонен к горячим трещинам, а также обладает стойкостью к радиационному охрупчиванию, обеспечивает требуемый уровень длительной прочности и сопротивления ползучести при температурах эксплуатации до 750°С.The specified composition is characterized by high welding and technological properties. The weld metal obtained using this wire is not prone to hot cracks, and is also resistant to radiation embrittlement, provides the required level of long-term strength and creep resistance at operating temperatures up to 750 ° C.

Недостатком известного состава сварочной проволоки является значительное снижение длительной прочности и сопротивления ползучести металла шва при температурах эксплуатации свыше 750°С.A disadvantage of the known composition of the welding wire is a significant reduction in the long-term strength and creep resistance of the weld metal at operating temperatures above 750 ° C.

Техническим результатом настоящего изобретения явилась разработка состава сварочной проволоки, обеспечивающей получение металла шва с более высокими характеристиками длительной прочности и сопротивления ползучести при температурах эксплуатации до 900°С при сохранении высокой стойкости к радиационному охрупчиванию.The technical result of the present invention was the development of the composition of the welding wire, providing weld metal with higher characteristics of long-term strength and creep resistance at operating temperatures up to 900 ° C while maintaining high resistance to radiation embrittlement.

Заявленный технический результат достигается оптимизацией химического состава за счет того, что состав сварочной проволоки, содержащий железо, углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ниобий, серу, фосфор, иттрий, алюминий, согласно изобретению дополнительно содержит кобальт и медь при следующем соотношении массовой доли элементов, %:The claimed technical result is achieved by optimizing the chemical composition due to the fact that the composition of the welding wire containing iron, carbon, silicon, manganese, chromium, nickel, molybdenum, niobium, sulfur, phosphorus, yttrium, aluminum, according to the invention additionally contains cobalt and copper in the following the ratio of the mass fraction of elements,%:

УглеродCarbon 0,001-0,0300.001-0.030 АлюминийAluminum 0,001-0,0100.001-0.010 КремнийSilicon 0,01-0,200.01-0.20 ИттрийYttrium 0,01-0,150.01-0.15 МарганецManganese 0,6-2,00.6-2.0 АзотNitrogen 0,001-0,0200.001-0.020 ХромChromium 19,0-20,519.0-20.5 СераSulfur 0,001-0,0200.001-0.020 НикельNickel 44,0-47,044.0-47.0 ФосфорPhosphorus 0,001-0,0250.001-0.025 МолибденMolybdenum 3,3-4,33.3-4.3 МедьCopper 0,005-0,2000,005-0,200 НиобийNiobium 0,7-1,00.7-1.0 ЖелезоIron ОстальноеRest КобальтCobalt 0,005-0,1000.005-0.100

Нормирование содержания легирующих элементов выполнено таким образом, чтобы металл сварного шва обеспечивал требуемый уровень стойкости к радиационному охрупчиванию. Для этого должно выполняться соотношение:The content of alloying elements is normalized so that the weld metal provides the required level of resistance to radiation embrittlement. For this, the ratio should be satisfied:

(P+0,5Cu)×(0,5Mn+Ni)≤3,04(P + 0.5Cu) × (0.5Mn + Ni) ≤3.04

Повышение длительной прочности и сопротивление ползучести при температуре эксплуатации 750-900°С производится за счет легирования кобальтом. Кобальт образует твердый раствор, замещая часть атомов никеля, искажая кристаллическую решетку, тем самым упрочняя металл и сохраняя структурную стабильность при повышенных температурах. Верхний предел содержания кобальта ограничен 0,1% ввиду того, что он является потенциальным источником долгоживущих изотопов кобальта с γ-излучением. Увеличение количества изотопов кобальта приводит к значительным срокам спада наведенной радиоактивности, что сильно затрудняет утилизацию оборудования, отработавшего свой ресурс. Нижнее ограничение содержания кобальта обусловлено тем, что его влияние на жаропрочность металла шва при содержании менее 0,005% практически не прослеживается.The increase in long-term strength and creep resistance at an operating temperature of 750-900 ° C is due to cobalt alloying. Cobalt forms a solid solution, replacing part of the nickel atoms, distorting the crystal lattice, thereby strengthening the metal and maintaining structural stability at elevated temperatures. The upper limit of the cobalt content is limited to 0.1% due to the fact that it is a potential source of long-lived cobalt isotopes with γ-radiation. An increase in the number of cobalt isotopes leads to significant periods of decay of induced radioactivity, which greatly complicates the disposal of equipment that has spent its life. The lower restriction of the cobalt content is due to the fact that its effect on the heat resistance of the weld metal at a content of less than 0.005% is practically not traced.

Легирование одним лишь кобальтом в заданных пределах не может обеспечить характеристики длительной прочности и сопротивлению ползучести, а его увеличение выше 0,1%, как уже упоминалось, негативно влияет на скорость снижения наведенной радиоактивности, в связи с чем заявляемый состав дополнительно легирован медью в количестве от 0,005 до 0,1%. Так же как и кобальт, медь образует твердый раствор, тем самым упрочняет материал и сохраняет структурную стабильность при повышенных температурах. Содержание в заявляемом составе меди менее 0,005% практически не приводит к улучшению характеристики длительной прочности. Ограничение верхнего предела содержания меди выше 0,1% связано с ее негативным влиянием на стойкость к охрупчиванию металла шва под воздействием нейтронного облучения.Doping with cobalt alone within the specified limits cannot provide the characteristics of long-term strength and creep resistance, and its increase above 0.1%, as already mentioned, negatively affects the rate of decrease in induced radioactivity, in connection with which the claimed composition is additionally doped with copper in an amount of 0.005 to 0.1%. Like cobalt, copper forms a solid solution, thereby strengthening the material and maintaining structural stability at elevated temperatures. The content in the inventive composition of copper is less than 0.005% practically does not lead to an improvement in the characteristics of long-term strength. The limitation of the upper limit of copper content above 0.1% is associated with its negative effect on the resistance to embrittlement of the weld metal under the influence of neutron irradiation.

Известно, что на стойкость к радиационному охрупчиванию кроме меди также негативно влияют никель, марганец и особенно фосфор, при этом наличие одного элемента значительно усиливает негативное влияние других, в связи с чем дополнительно было введено ограничение совокупного содержания этих элементов следующим соотношением:It is known that, in addition to copper, nickel, manganese and especially phosphorus also negatively affect the resistance to radiation embrittlement, while the presence of one element significantly enhances the negative influence of others, and therefore the total content of these elements was additionally limited by the following ratio:

(P+0,5Cu)×(0,5Mn+Ni)≤3,04(P + 0.5Cu) × (0.5Mn + Ni) ≤3.04

При увеличении этого отношения свыше 3,04 стойкость металла шва к радиационному охрупчиванию резко падает.With an increase in this ratio over 3.04, the resistance of the weld metal to radiation embrittlement drops sharply.

На производственной базе ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей» проведен комплекс лабораторных и опытно-промышленных работ по выплавке сплава, пластической обработке и изготовлению опытных партий сварочной проволоки, изготовлены сварные пробы и проведены их испытания. Испытания на длительную прочность и ползучесть, а также испытания на ударную вязкость металла сварного шва проводились в соответствии с требованиями ПНАЭ Г-7-002-86 «Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок». Химический состав опытных партий сварочной проволоки приведен в табл.1. Механические свойства металла шва приведены в таблице 2, показатели ударной вязкости до и после облучения в таблице 3. Данные таблиц подтверждают оптимальность состава сварочной проволоки в заявленном варианте. При этом снижение содержания меди и кобальта ниже заявленного состава приводит к снижению длительной прочности и сопротивлению ползучести, а содержание таких элементов как никель, марганец, медь и фосфор на верхнем пределе заявляемого состава к интенсивному охрупчиванию металла шва под влиянием нейтронного облучения.At the production base of FSUE TsNII KM Prometey, a set of laboratory and pilot industrial works was carried out on alloy smelting, plastic processing and the manufacture of pilot batches of welding wire, welded samples were made and tested. Tests for long-term strength and creep, as well as tests for the toughness of the weld metal were carried out in accordance with the requirements of PNAE G-7-002-86 "Norms for calculating the strength of equipment and pipelines of nuclear power plants." The chemical composition of the experimental batches of welding wire is given in table 1. The mechanical properties of the weld metal are shown in table 2, the impact strength before and after irradiation in table 3. These tables confirm the optimum composition of the welding wire in the claimed embodiment. Moreover, a decrease in the content of copper and cobalt below the claimed composition leads to a decrease in long-term strength and creep resistance, and the content of such elements as nickel, manganese, copper and phosphorus at the upper limit of the claimed composition leads to intense embrittlement of the weld metal under the influence of neutron radiation.

Ожидаемый технико-экономический эффект от использования предлагаемого состава сварочной проволоки при изготовлении энергетического оборудования выразится в повышении его эксплуатационных характеристик, а также увеличения надежности и ресурса при обеспечении повышенной безопасности.The expected technical and economic effect of the use of the proposed composition of the welding wire in the manufacture of power equipment will be expressed in increasing its operational characteristics, as well as increasing reliability and resource while ensuring increased safety.

Claims

The composition of the welding wire containing iron, carbon, silicon, manganese, chromium, nickel, molybdenum, niobium, sulfur, phosphorus, yttrium, aluminum, characterized in that it additionally contains cobalt, nitrogen and copper in the following ratio of the mass fraction of elements,%:
Carbon 0.001-0.030 Aluminum 0.001-0.010 Silicon 0.01-0.20 Yttrium 0.01-0.15 Manganese 0.6-2.0 Nitrogen 0.001-0.020 Chromium 19.0-20.5 Sulfur 0.001-0.020 Nickel 44.0-47.0 Phosphorus 0.001-0.025 Molybdenum 3.3-4.3 Copper 0,005-0,200 Niobium 0.7-1.0 Iron Rest, Cobalt 0.005-0.100

this satisfies the ratio:
(P + 0.5Cu) · (0.5Mn + Ni) ≤3.04.