RU2613243C2 - Композиционная сварочная проволока для дуговой сварки легированных сталей высокой прочности - Google Patents
Композиционная сварочная проволока для дуговой сварки легированных сталей высокой прочности Download PDFInfo
- Publication number
- RU2613243C2 RU2613243C2 RU2015118694A RU2015118694A RU2613243C2 RU 2613243 C2 RU2613243 C2 RU 2613243C2 RU 2015118694 A RU2015118694 A RU 2015118694A RU 2015118694 A RU2015118694 A RU 2015118694A RU 2613243 C2 RU2613243 C2 RU 2613243C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fluoride
- metal
- boride
- matrix
- wire
- Prior art date
Links
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
- B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
- B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
- B23K35/30—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 1550 degrees C
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B1/00—Nanostructures formed by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
Landscapes
- Nonmetallic Welding Materials (AREA)
Abstract
Изобретение может быть использовано при дуговой сварке и наплавке металлических деталей из легированных сталей высокой прочности в среде защитного газа и под флюсом. Проволока содержит металлический стержень и электролитически нанесенное на него нанокомпозиционное покрытие, включающее металлическую матрицу с распределенными в ней наноразмерными частицами. Матрица содержит наноразмерные частицы фторида или смеси фторидов редкоземельного металла и наноразмерные частицы тугоплавкого борида металла при следующем соотношении объемов матрицы и наноразмерных частиц в покрытии, %: металлическая матрица 55-96, наноразмерные частицы фторида или смеси фторидов редкоземельного металла 3-20, наноразмерные частицы тугоплавкого борида металла 1-25. Фторид редкоземельного металла выбран из группы, включающей фторид лантана, фторид иттрия и фторид церия. В качестве тугоплавкого борида металла использован борид титана или борид циркония. Сварочная проволока позволяет увеличить прочность, пластичность и ударную вязкость сварных швов легированных сталей. 2 з.п. ф-лы, 6 табл.
Description
Предлагаемое изобретение относится преимущественно к машиностроению и может быть применено при дуговой сварке и наплавке металлических деталей в среде защитного газа и под флюсом.
Известна проволока для сварки в среде защитных газов (см. Ульянов В.И., Гречанюк Н.И., Кривасов А.К. и др. Проволока для сварки в среде защитных газов. Авторское свидетельство СССР №1061962 от 17.05.1982 г. Опубликовано 23.12.1983 г. Бюл. 47), содержащая антикоррозионное покрытие из титана. Указанная проволока позволила увеличить прочность, пластичность и ударную вязкость шва при сварке низколегированных сталей. Однако эффективность указанной проволоки является недостаточной для эффективного модифицирования и рафинирования при сварке легированных высокопрочных сталей. Кроме того, покрытие из титана наносят в вакуумной камере, что ограничивает область применения проволоки и увеличивает ее стоимость.
Известна сварочная электродная проволока (Патон Б.Е., Воропай Н.М., Никифоров Б.А. и др. Сварочная электродная проволока. B23K 35/06, 35/10. Авторское свидетельство СССР №1696231 от 09.02.1987 г. Бюл. №45 от 07.12.1991 г.). Данная проволока состоит из металлического стержня с внутренним каналом, полость которого заполнена шлакообразующими и легирующими компонентами, а на внешнюю и внутреннюю поверхность стержня нанесено металлическое покрытие. Указанная проволока улучшает капельный перенос электродного металла, однако она не имеет в составе модифицирующих элементов, поэтому и не может эффективно влиять на измельчение микроструктуры и механические свойства шва. Кроме того, ее изготовление отличается повышенной трудоемкостью, что увеличивает стоимость проволоки.
Известна наноструктурированная сварочная проволока (см. Паршин С.Г. Наноструктурированная сварочная проволока. Патент РФ №2538228 от 01.07.2013 г. Опубликовано 10.01.2015 г. Бюл. №1), которая принята за прототип. Указанная проволока состоит из металлического стержня, на поверхность которого нанесено нанокомпозиционное покрытие. Покрытие выполнено электролитическим способом и включает металлическую матрицу с распределенными в ней наноразмерными частицами фторида металла и редкоземельных металлов. Проволока по прототипу позволяет улучшить капельный перенос электродного металла и механические свойства сварных соединений. Однако указанная проволока недостаточно эффективно влияет на модифицирование микроструктуры при сварке легированных высокопрочных сталей, что не позволяет существенно повысить пластичность и ударную вязкость сварных швов.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение механических свойств сварных соединений высокопрочных легированных сталей за счет комплексного модифицирования и рафинирования сварочной ванны путем нанесения на поверхность сварочной проволоки нанокомпозиционного покрытия, содержащего наноразмерные частицы фторида редкоземельного металла и борида металла: борида титана (борида циркония).
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что на поверхности металлического стержня размещают нанокомпозиционное покрытие, состоящее из металлической матрицы, наноразмерных частиц фторида редкоземельного металла (РЗМ) и борида титана с размером частиц менее 1000 нм. В отличие от прототипа нанокомпозиционное покрытие содержит наноразмерные частицы фторида редкоземельного металла и борида металла: борида титана (борида циркония) при следующем соотношении объемов матрицы и наноразмерных частиц в покрытии, %:
Металлическая матрица - 55-96;
Наноразмерные частицы фторида редкоземельного металла - 3-20;
Наноразмерные частицы борида металла - 1-25.
В качестве фторида редкоземельного металла могут применяться: фторид лантана LaF3 (Tпл=1430°C), фторид иттрия YF3 (Tпл=1155°C), фторид церия CeF3 (Tпл=1430°C), фторид тория ThF4 (Tпл=1050°C). В качестве борида металла могут применяться тугоплавкие бориды титана и циркония: TiB2 (Tпл=3230°C), ZrB2 (Tпл=3000°C).
При объеме фторида редкоземельного металла менее 3% отсутствует воздействие нанокомпозиционного покрытия на процесс капельного перехода и удаление водорода, а при увеличении объема более 20% снижается стабильность горения дуги. При объеме борида титана (циркония) менее 1% снижается влияние покрытия на процессы модифицирования и улучшения микроструктуры наплавленного металла, а при увеличении объема более 25% происходит ухудшение механических свойств наплавленного металла и электрической проводимости композиционного покрытия.
Такое сочетание известных и новых признаков позволяет улучшить механические свойства сварного шва легированных высокопрочных сталей. Это становится возможным, поскольку проволока содержит систему комплексных модификаторов, которые обладают модифицирующим и рафинирующим воздействием. Для улучшения механических свойств в расплавленную сталь необходимо вводить комплексные модификаторы, которые содержат систему элементов, в которую могут входить бор, редкоземельные металлы, титан и цирконий, например: La-B, Zr-Ce, Ti-B и др. (см. Задиранов А.Н., Кац A.M. Теоретические основы кристаллизации металлов и сплавов. Москва: РУДН, 2008. - 225 с.).
Введение комплексных модификаторов позволяет одновременно измельчать и рафинировать микроструктуру легированных сталей. Модификация (измельчение) зерна за счет введения модификаторов основана на изменении поверхностной энергии на границе кристалл-расплав, уменьшении поверхностного натяжения расплава и увеличении количества центров кристаллизации. Одновременное введение элементов редкоземельных металлов и бора позволяет изменить свойства поверхности на границе твердой и жидкой фаз, а также образовать дополнительные центры кристаллизации за счет тугоплавких боридов и образующихся нитридов. Дополнительное введение фторида редкоземельного металла позволяет уменьшить количество остаточного диффузионного водорода в сварочном шве за счет связывания водорода H2 в плазме сварочной дуги в нерастворимые в сварочной ванне соединения HF.
Рафинирование заключается в удалении оксидов и сульфидов железа: FeO, FeS из сварочной ванны путем металлургических реакций с переходными металлами. Указанные реакции позволяют уменьшить количество легкоплавких эвтектик и ликваций в наплавленном металле сварного шва, что снижает межкристаллитную и межзеренную химическую неоднородность и приводит к повышению прочности межзеренных границ. Измельчение зерна в результате введения модификаторов приводит к увеличению протяженности межзеренных границ и уменьшению их ширины, что также увеличивает прочность межзеренных границ.
Увеличение прочности межзеренных границ в результате модифицирования микроструктуры, уменьшение количества остаточных газов H2, N2, O2 и рафинирование сварочной ванны по извлечению оксидов и сульфидов железа позволяет повысить пластичность, ударную вязкость сварных швов и их сопротивляемость хрупкому разрушению и возникновению холодных трещин.
Термодинамические расчеты фазового состава металлургических систем при помощи программы FACT (Facility for the Analysis of Chemical Thermodynamics) показывают, что в равновесной системе Fe-LaF3-TiB2 при температуре сварочной ванны 1000-3000 К образуется значительное количество LaF3 и TiB2 в конденсированной фазе, табл. 1.
Аналогичное образование в конденсированной фазе фторидов РЗМ: фторида лантана LaF3, фторида иттрия YF3, фторида церия CeF3, фторида тория ThF4, борида титана TiB2, борида циркония ZrB2 согласно расчетам отмечается в системах: Fe-LaF3-(Me)B2, Fe-CeF3-(Ме)В2, Fe-YF3-(Me)B2, Fe-ThF4-(Me)B2, где (Me) - титан или цирконий.
Обогащение сварочной ванны LaF3 и TiB2 изменяет поверхностное натяжение расплава и увеличивает количество дополнительных центров кристаллизации. Термодинамические расчеты показывают, что при наличии азота, например в системе N2-LaF3-TiB2, в сварочной ванне образуются нитриды TiN, LaN, BN, которые имеют высокие температуры плавления: TiN (Tпл=2950°C), LaN (Tпл=2450°C), BN (Tпл=3000°C), табл. 2.
Аналогичное образование нитридов титана TiN, циркония ZrN, нитридов РЗМ: церия Ce, иттрия Y, тория Th и бора B в конденсированной фазе, согласно расчетам, отмечается в системах: N2-CeF3-(Me)B2, N2-YF3-(Me)B2, N2-ThF4-(Me)B2, где (Me) - титан или цирконий. Нитриды церия, иттрия, тория также имеют высокие температуры плавления: CeN (Tпл=2570°C), YN (Tпл=2670°C), ThN (Tпл=2820°C) (см. Двойные и тройные карбидные и нитридные системы переходных металлов. Холлек X. / пер. с нем. Под ред. Левинского Ю.М., М.: Металлургия, 1988. - 319 с.).
Тугоплавкие нитриды титана, циркония, редкоземельных металлов (РЗМ) и бора увеличивают количество центров кристаллизации в сварочной ванне, что приводит к модифицированию (измельчению) микроструктуры сварного шва.
Наличие в сварочной ванне TiB2 или ZrB2 способствует интенсивным металлургическим реакциям по десульфурации - удалению сульфидов железа FeS путем связывания серы в тугоплавкие сульфиды титана и бора. Термодинамические расчеты показывают, что в системе FeS-TiB2 в низкотемпературной зоне сварочной ванны образуются сульфиды Ti2S3 и B2S3, что снижает концентрацию FeS, табл. 3.
Уменьшение растворенного сульфида FeS в сварочной ванне снижает концентрацию легкоплавких эвтектик при первичной кристаллизации, что снижает межкристаллитную и межзеренную химическую неоднородность. Это способствует увеличению прочности и пластичности металла сварного шва (см. Гуляев А.П. Металловедение. М.: Металлургия, 1986. - 272 с.).
Наличие в сварочной ванне TiB2 или ZrB2 позволяет интенсифицировать металлургические реакции по раскислению железа. Термодинамические расчеты показывают, что в системе FeO-TiB2 в сварочной ванне образуются оксиды титана и бора, что свидетельствует о раскислении FeO, табл. 4.
В результате реакций раскисления образуются тугоплавкие оксиды бора, титана, циркония, что снижает концентрацию растворенного в сварочной ванне оксида железа FeO (Tпл=1377°C) и способствует увеличению дополнительных центров кристаллизации. Это также улучшает механические свойства сварного шва.
Одной из причин хрупкого разрушения и появления холодных трещин при сварке легированных высокопрочных сталей является наличие остаточного водорода и азота. Термодинамические расчеты показывают, что при дуговой сварке в диапазоне температур 1000-6000 К в газовой фазе при равновесной концентрации веществ в системах: H2-LaF3-TiB2, N2-LaF3-TiB2 парциальное давление молекулярного водорода и азота уменьшается, табл. 5.
Аналогичное уменьшение парциального давления молекулярного водорода и азота происходит в системах: H2(N2)-CeF3-(Me)B2, H2(N2)-YF3-(Me)B2, H2(N2)-ThF3-(Me)B2, где (Me) - титан или цирконий. Согласно закона Сивертса растворимость молекулярного водорода и азота в сварочной ванне пропорциональна квадратному корню из парциального давления газа, поэтому уменьшение парциального давления газов Н2, N2 над сварочной ванной уменьшает концентрацию остаточных газов в сварном шве, что улучшает сопротивляемость хрупкому разрушению.
Примером применения предлагаемой проволоки является механизированная сварка пластин толщиной 14 мм из стали 10ХСНД в среде смеси: аргон 75%+СО2 25%. Для получения проволоки с нанокомпозиционным покрытием использовали сварочную проволоку Св-08Г2С без покрытия диаметром 1,2 мм. Нанокомпозиционное покрытие наносили электрохимическим способом из коллоидных никельсодержащих электролитов с нанодисперсными частицами фторида лантана LaF3 и борида титана TiB2. После сварки из пластин изготовляли образцы для механических испытаний по ГОСТ 6996-66 с применением разрывной машины «Super L 60», маятникового копра РН450, табл. 6.
Таким образом, предлагаемая проволока обеспечивает технический эффект, который выражается в улучшении механических свойств сварных соединений, может быть изготовлена и применена с использованием известных в технике средств, следовательно, она обладает промышленной применимостью.
Claims (4)
1. Проволока для сварки и наплавки легированных сталей, содержащая металлический стержень и электролитически нанесенное на него нанокомпозиционное покрытие, включающее металлическую матрицу с распределенными в ней наноразмерными частицами, отличающаяся тем, что нанокомпозиционное покрытие содержит наноразмерные частицы фторида или смеси фторидов редкоземельного металла и наноразмерные частицы тугоплавкого борида металла при следующем соотношении объемов матрицы и наноразмерных частиц в покрытии, %:
2. Проволока по п.1, отличающаяся тем, что фторид редкоземельного металла выбран из группы, включающей фторид лантана, фторид иттрия и фторид церия.
3. Проволока по п.1, отличающаяся тем, что в качестве тугоплавкого борида металла использован борид титана или борид циркония.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015118694A RU2613243C2 (ru) | 2015-05-19 | 2015-05-19 | Композиционная сварочная проволока для дуговой сварки легированных сталей высокой прочности |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015118694A RU2613243C2 (ru) | 2015-05-19 | 2015-05-19 | Композиционная сварочная проволока для дуговой сварки легированных сталей высокой прочности |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2015118694A RU2015118694A (ru) | 2016-12-10 |
| RU2613243C2 true RU2613243C2 (ru) | 2017-03-15 |
Family
ID=57759646
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015118694A RU2613243C2 (ru) | 2015-05-19 | 2015-05-19 | Композиционная сварочная проволока для дуговой сварки легированных сталей высокой прочности |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2613243C2 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2766942C1 (ru) * | 2020-12-16 | 2022-03-16 | Сергей Георгиевич Паршин | Композиционная проволока для наплавки алюмоматричного интерметаллидного сплава |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU671960A1 (ru) * | 1977-12-01 | 1979-07-05 | Ордена Ленина И Ордена Трудового Красного Знамени Институт Электросварки Им. Е.О.Патона Ан Украинской Сср | Электродна проволока |
| US6428596B1 (en) * | 2000-11-13 | 2002-08-06 | Concept Alloys, L.L.C. | Multiplex composite powder used in a core for thermal spraying and welding, its method of manufacture and use |
| CN1586790A (zh) * | 2004-07-14 | 2005-03-02 | 北京京大瑞博资源应用技术研究院 | 一种纳米焊条药皮配方 |
| RU2538228C1 (ru) * | 2013-07-01 | 2015-01-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Северо-Западный институт сварки и наноматериалов" (ООО "ИСНАНО") | Наноструктурированная сварочная проволока |
-
2015
- 2015-05-19 RU RU2015118694A patent/RU2613243C2/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU671960A1 (ru) * | 1977-12-01 | 1979-07-05 | Ордена Ленина И Ордена Трудового Красного Знамени Институт Электросварки Им. Е.О.Патона Ан Украинской Сср | Электродна проволока |
| US6428596B1 (en) * | 2000-11-13 | 2002-08-06 | Concept Alloys, L.L.C. | Multiplex composite powder used in a core for thermal spraying and welding, its method of manufacture and use |
| CN1586790A (zh) * | 2004-07-14 | 2005-03-02 | 北京京大瑞博资源应用技术研究院 | 一种纳米焊条药皮配方 |
| RU2538228C1 (ru) * | 2013-07-01 | 2015-01-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Северо-Западный институт сварки и наноматериалов" (ООО "ИСНАНО") | Наноструктурированная сварочная проволока |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2766942C1 (ru) * | 2020-12-16 | 2022-03-16 | Сергей Георгиевич Паршин | Композиционная проволока для наплавки алюмоматричного интерметаллидного сплава |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2015118694A (ru) | 2016-12-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Arivazhagan et al. | A comparative study on the effect of GTAW processes on the microstructure and mechanical properties of P91 steel weld joints | |
| JP6264521B1 (ja) | ダウンホール部材用棒鋼、及び、ダウンホール部材 | |
| EP3358030B1 (en) | Austenitic stainless steel and method for producing austenitic stainless steel | |
| Suito et al. | Influence of oxide particles and residual elements on microstructure and toughness in the heat-affected zone of low-carbon steel deoxidized with Ti and Zr | |
| JP5692138B2 (ja) | 熱影響部低温靭性に優れる超大入熱溶接用高張力鋼 | |
| Kozyrev et al. | New carbon-fluorine containing additive for the welding fluxes | |
| RU2603936C1 (ru) | Сварочная проволока с нанокомпозиционным покрытием для сварки высокопрочных сталей | |
| RU2613243C2 (ru) | Композиционная сварочная проволока для дуговой сварки легированных сталей высокой прочности | |
| RU2766942C1 (ru) | Композиционная проволока для наплавки алюмоматричного интерметаллидного сплава | |
| EP2952286B1 (en) | Weld metal and welded structure | |
| Sidorov et al. | Refining a complex nickel alloy to remove a sulfur impurity during vacuum induction melting: Part II | |
| RU2610374C2 (ru) | Сварочная композиционная проволока для дуговой сварки трубных и криптоустойчивых сталей | |
| EP3103888A1 (en) | High alloy for oil well use | |
| CN103949797A (zh) | 耐高温抗氧化低膨胀合金气体保护焊用焊丝 | |
| JP6277885B2 (ja) | 溶接用高張力鋼 | |
| CA2945912A1 (en) | High strength welding consumable based on a 10% nickel steel metallurgical system | |
| JP5213517B2 (ja) | 溶接熱影響部靭性に優れた鋼材 | |
| Saenko et al. | Electron beam welding of sheet commercial titanium VT1-0, hardened by nitrogen in the process of arc-slag remelting, and properties of produced joints | |
| JP2008163423A (ja) | 疲労特性に優れたＳｉキルド鋼線材およびばね | |
| RU2568551C1 (ru) | Лигатура для титановых сплавов | |
| RU2632728C2 (ru) | Жаропрочный сплав | |
| RU2579710C1 (ru) | Жаропрочный сплав | |
| JP6515287B2 (ja) | 溶接継手の製造方法 | |
| RU2577643C1 (ru) | Жаропрочный сплав | |
| Golovko et al. | Peculiarities of the influence of complex alloying on structure formation and mechanical properties of welds on low-alloyed high-strength steels |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| HE9A | Changing address for correspondence with an applicant | ||
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170520 |