RU2692145C1

RU2692145C1 - Wire for welding medium carbon medium-alloyed armour steels

Info

Publication number: RU2692145C1
Application number: RU2017144969A
Authority: RU
Inventors: Юрий Станиславович Коробов; Валентин Иванович Шумяков; Владимир Евгеньевич Прохорович; Владимир Григорьевич Шипша; Ольга Валентиновна Пименова; Юрий Сергеевич Давыдов; Никита Михайлович Разиков; Семен Николаевич Гончаров; Сергей Викторович Кутаков; Андрей Евгеньевич Беспамятных
Priority date: 2017-12-20
Filing date: 2017-12-20
Publication date: 2019-06-21

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention can be used to produce welded joints from medium-carbon medium-alloyed armour steels. Welding wire contains components in the following ratio, wt. %: chromium 18.5–22.0, carbon 0.3–0.4, nitrogen 0.1–0.2, aluminium 0.05–0.1, titanium 0.08–0.2, iron - the rest.

EFFECT: welding wire provides high bullet resistance of welded joints.

1 cl, 3 dwg, 1 ex

Description

Техническое решение относится к области материалов для сварки, а именно к проволокам для получения сварных соединений из броневых сталей, и может быть использовано для обеспечения пулестойкости таких изделий как, например, сейфы.The technical solution relates to the field of materials for welding, namely, wires for the production of welded joints from armor steels, and can be used to provide bulletproofness of such products as, for example, safes.

Броневые стали для конструкций широкого назначения должны обладать хорошей пластичностью, высокой сопротивляемостью хрупкому разрушению и удовлетворительной свариваемостью. Для широкого круга применений необходима также твердость выше 40 HRC для обеспечения пулестойкости, которую можно формализовать как стойкость против концентрированных механических воздействий, например, ударам индентора с высокой кинетической энергией [1]. Эти свойства обеспечивают среднелегированные высокопрочные стали за счет структуры сварных соединений, которая формируется в процессе мартенситнога или бейнитного превращений и определяется соответствующими легированием и термообработкой. В свою очередь, формирование необходимой структуры сварных соединений в значительной мере определяется химическим составом сварочной проволоки.Armor steel for multi-purpose structures should have good ductility, high resilience to brittle fracture and satisfactory weldability. For a wide range of applications, hardness above 40 HRC is also required to ensure bulletproofness, which can be formalized as resistance to concentrated mechanical effects, for example, indenter impacts with high kinetic energy [1]. These properties provide medium-alloyed high-strength steels due to the structure of welded joints, which is formed in the process of martensitic or bainite transformations and is determined by appropriate alloying and heat treatment. In turn, the formation of the required structure of welded joints is largely determined by the chemical composition of the welding wire.

Известна проволока марки Св-08ГСМТ по ГОСТ 2246-70, химический состав которой включает, мас. %: углерод 0,06-0,11, марганец 1,0-1,3, кремний 0,4-0,7, железо - основа. Указанная проволока относится к ферритному классу. Ее использование для получения сварных соединений из среднелегированных высокопрочных сталей обеспечивает хорошую стойкость шва против образования холодных трещин, что обусловлено распадом переохлажденного аустенита преимущественно в нижней части температурного интервала ферритно-перлитного превращения. В этой области образуется ферритная матрица с вкраплениями продуктов перлитно-бейнитного превращения [2]. Однако, на участке перегрева зоны термического влияния, являющегося наиболее подверженным образованию холодных трещин, микроструктура металла представляет собой мартенситно-бейнитную смесь высокой твердости, что резко повышает склонность сварного соединения в целом к образованию холодных трещин. При этом металл шва отличается низкой пулестойкостью. Это обусловлено недостаточной твердостью (200 HV) при сварке изделий в термически обработанном состоянии без последующей термической обработки [3].Known wire brand SV-08GSMT according to GOST 2246-70, the chemical composition of which includes, by weight. %: carbon 0.06-0.11, manganese 1.0-1.3, silicon 0.4-0.7, iron — base. This wire belongs to the ferritic class. Its use for the production of welded joints from medium-alloyed high-strength steels provides good weld resistance against the formation of cold cracks, which is caused by the decomposition of supercooled austenite mainly in the lower part of the temperature range of the ferritic-pearlitic transformation. In this area, a ferritic matrix is formed with interspersed products of pearlite-bainite transformation [2]. However, at the site of overheating of the heat-affected zone, which is most susceptible to the formation of cold cracks, the metal microstructure is a martensitic-bainitic mixture of high hardness, which dramatically increases the tendency of the welded joint as a whole to cold cracks. At the same time, the weld metal is characterized by low bulletproofness. This is due to insufficient hardness (200 HV) when welding products in a heat-treated state without subsequent heat treatment [3].

Известен состав проволоки для сварки высокопрочных сталей следующего химического состава, мас. %: С - 0,3-0,35; Si - 0,3-0,6; Mn - 1,5-2,0; Cr -2,0-2,5; Ni - 1,0-2,0; W - 1,0-1,5; Mo - 0,4-0,5; V - 0,05-0,10; Со - 0,5-1,0; Y - 0,04-0,06; Al - 0,01-0,03; Fe - остальное (Патент РФ 2217283 В23К35 Состав сварочной проволоки / Старова Л.Л.; Борисов М.Т.; Лукин В.И. и др. - Опубл. 27.11.2003). Введение ванадия, кобальта, иттрия и алюминия в предлагаемый состав сварочной проволоки при заявленном соотношении компонентов позволило повысить прочность сварного соединения при сохранении вязкости и стойкости против образования горячих трещин. Недостатком известной стали является низкая сопротивляемость образованию холодных трещин, что не позволяет использовать ее для сварки среднелегированных высокопрочных сталей.The known composition of the wire for welding high-strength steels of the following chemical composition, wt. %: C - 0.3-0.35; Si - 0.3-0.6; Mn - 1.5-2.0; Cr -2.0-2.5; Ni - 1.0-2.0; W - 1.0-1.5; Mo - 0.4-0.5; V - 0.05-0.10; Co - 0.5-1.0; Y - 0.04-0.06; Al, 0.01-0.03; Fe - the rest (Patent of the Russian Federation 2217283 В23К35 The composition of the welding wire / Starova LL; Borisov MT; Lukin VI, etc. - Pub.. 27.11.2003). The introduction of vanadium, cobalt, yttrium and aluminum in the proposed composition of the welding wire with the stated ratio of components has increased the strength of the welded joint while maintaining the viscosity and resistance to hot cracking. A disadvantage of the known steel is the low resistance to cold cracking, which does not allow it to be used for welding medium-alloyed high-strength steels.

В качестве прототипа выбрана проволока марки Св-08Х20Н9Г7Т ГОСТ 2246-70, химический состав которой, мас. %: углерод менее 0,1, кремний 0,5-1,0, марганец 5,0-8,0, никель 8,0-10,0, хром 18,5-22,00, титан 0,6-0,9, железо - основа.As a prototype of the selected wire brand SV-08H20N9G7T GOST 2246-70, the chemical composition of which, wt. %: carbon less than 0.1, silicon 0.5-1.0, manganese 5.0-8.0, nickel 8.0-10.0, chromium 18.5-22.00, titanium 0.6-0 , 9, iron is the basis.

В швах сварных соединений, выполненных этой проволокой, формируется высокостабильная аустенитная структура, не склонная к образованию холодных трещин. В зоне термического влияния при этом формируется преимущественно верхний бейнит при наличии мартенсита отпуска [4]. Такая структура обусловливает высокую стойкость сварных соединений против образования холодных трещин. Однако, прочность аустенитного металла шва ниже, в сравнении с основным металлом, что неприемлемо при наличии требований к сварному соединению по пулестойкости.In the seams of welded joints made by this wire, a highly stable austenitic structure is formed that is not prone to cold cracks. In this case, in the heat-affected zone, predominantly upper bainite is formed in the presence of tempering martensite [4]. Such a structure causes high resistance of welded joints against the formation of cold cracks. However, the strength of the austenitic weld metal is lower in comparison with the base metal, which is unacceptable if there are requirements for a welded joint for bulletproofness.

Задачей предлагаемого технического решения является обеспечение свариваемости и пулестойкости сварных соединений из среднелегированных высокопрочных сталей.The objective of the proposed technical solution is to ensure the weldability and bulletproofness of welded joints from medium-alloyed high-strength steels.

Поставленная задача решается путем использования для получения сварных соединений сварочной проволоки на основе железа, содержащей железо, хром, углерод, титан, отличающейся тем, что для обеспечения пулестойкости сварных соединений проволока содержит дополнительно азот и алюминий при следующем соотношении элементов, мас. %: хром 18,5-22, углерод 0,3-0,4, азот 0,1-0,2, алюминий 0,05-0,1, титан 0,08-0,2.The problem is solved by using for obtaining welded joints of welding wire based on iron containing iron, chromium, carbon, titanium, characterized in that to ensure the bullet resistance of welded joints, the wire also contains nitrogen and aluminum in the following ratio of elements, wt. %: chromium 18.5-22, carbon 0.3-0.4, nitrogen 0.1-0.2, aluminum 0.05-0.1, titanium 0.08-0.2.

В отличие от прототипа увеличено количество углерода, из числа легирующих исключены никель и марганец, добавлены азот и алюминий.Unlike the prototype, the amount of carbon is increased, nickel and manganese are excluded from the number of alloying elements, nitrogen and aluminum are added.

Углерод и азот являются сильными аустенизаторами, их содержание в указанных пределах обеспечивает формирование структуры с метастабильным аустенитом при исключении других аустенизаторов - никеля и марганца. Никель и марганец способствуют усилению стабильности аустенита, что не позволяет реализовать структуру метастабильного аустенита, обеспечивающую синергетический эффект мартенситного деформационного упрочнения в наплавленном металле. Увеличение содержания азота выше заявленного предела приводит к повышенной пористости шва [5]. Алюминий и титан в указанных пределах интенсифицируют процесс γ→α превращения, способствуя увеличению числа центров кристаллизации и получению мелкозернистой структуры [3].Carbon and nitrogen are strong austenizators, their content within the specified limits ensures the formation of a structure with metastable austenite with the exclusion of other austenitizers - nickel and manganese. Nickel and manganese contribute to enhancing the stability of austenite, which does not allow the structure of metastable austenite to be realized, providing a synergistic effect of martensitic strain hardening in the weld metal. The increase in nitrogen content above the stated limit leads to increased seam porosity [5]. Aluminum and titanium within these limits intensify the process of γ → α transformation, contributing to an increase in the number of crystallization centers and to obtain a fine-grained structure [3].

При концентрациях алюминия и титана ниже указанных пределов модифицирующий эффект не проявляется, а при концентрациях выше указанных пределов ухудшаются сварочно-технологические свойства проволоки. Это проявляется в образовании очень прочной и тугоплавкой шлаковой пленки на поверхности металла шва, что затрудняет процесс сварки и может вызвать появление дефектов (несплавления и шлаковые включения).At concentrations of aluminum and titanium below the specified limits, the modifying effect does not appear, and at concentrations above the specified limits, the welding and technological properties of the wire deteriorate. This is manifested in the formation of a very strong and refractory slag film on the surface of the weld metal, which complicates the welding process and can cause the appearance of defects (non-fusion and slag inclusions).

За счет предложенной системы легирования сварной шов содержит 50-85% аустенита, 15-50% мартенсита и феррита в различных сочетаниях. Высокая доля аустенита обеспечивает хорошую свариваемость стали за счет формирования в зоне термического влияния благоприятной бейнитно-мартенситной структуры, аналогичной структуре, образующейся при использовании проволоки-прототипа. Получаемый аустенит отличается нестабильностью и при воздействии импульсных концентрированных механических нагрузок происходит его превращение в мартенсит, что сопровождается повышением твердости и пулестойкости.Due to the proposed alloying system, the weld contains 50-85% austenite, 15-50% martensite and ferrite in various combinations. A high proportion of austenite provides good weldability of steel due to the formation in the heat-affected zone of a favorable bainite-martensitic structure, similar to the structure formed when using the prototype wire. The resulting austenite is unstable and when subjected to pulsed concentrated mechanical loads, it turns into martensite, which is accompanied by an increase in hardness and bullet resistance.

Пример конкретного выполнения.An example of a specific implementation.

Дуговой сваркой в защитном газе выполнены жесткие технологические пробы [3] с целью оценки сопротивления образованию горячих и холодных трещин в сварном соединенииRigid technological tests [3] were made by arc welding in shielding gas in order to estimate the resistance to hot and cold cracking in a welded joint.

Материал - сталь марки 30ХГСА толщиной 13 мм, сварные соединения типа С17 по ГОСТ 14771. Ток 210 А, напряжение 24 В, защитный газ - смесь (Ar+18% СО₂). Для сравнения использованы проволоки: Св-08ГСМТ, ГОСТ 2246-70 (аналог), Св-08Х20Н9Г7Т, ГОСТ 2246-70 (прототип), Св-35Х20АТЮ (соответствует предложенному техническому решению). После охлаждения на воздухе до температуры 20°С шов из проволоки 35Х20ГСТЮА подвергли нагружению: производили динамическое нагружение шариком диаметром 8 мм из твердого сплава ВК8, установленным по центру шва, падением гири массой 1 кг с высоты 1,2 м. При ударном нагружени и образца на поверхности шва из проволоки Св-35Х20АТЮ (соответствует предложенному техническому решению) образуется лунка диаметром D=2,42 мм, что соответствует площади:Material - steel grade 30HGSA with a thickness of 13 mm, welded joints of type C17 according to GOST 14771. Current 210 A, voltage 24 V, protective gas - mixture (Ar + 18% CO ₂ ). The following wires were used for comparison: Sv-08GSMT, GOST 2246-70 (analogue), Sv-08Kh20N9G7T, GOST 2246-70 (prototype), Sv-35X20ATYU (corresponds to the proposed technical solution). After cooling in air to a temperature of 20 ° C, a seam of 35H20GSTUA wire was subjected to loading: dynamic loading was performed with a ball of 8 mm diameter from VK8 hard alloy, installed at the center of the seam, by falling a weight of 1 kg from a height of 1.2 m. With shock loading and sample on the surface of the seam of wire Sv-35H20ATYU (corresponds to the proposed technical solution) is formed a hole with a diameter of D = 2.42 mm, which corresponds to the area:

S = π⋅D/4 = 2,42/4 = 4,52 мм².S = π⋅D / 4 = 2.42 / 4 = 4.52 mm ² .

Ударное давление составит:Shock pressure will be:

σ = P/S = 9,8 Н/(4,52⋅10^-6 м²) = 2170 Мпа..σ = P / S = 9.8 N / (4.52⋅10 ^-6 m ² ) = 2170 MPa.

Такой уровень ударного давления достоверно моделирует баллистическое воздействие удара пули [6]. Из сварных соединений механически с принудительным охлаждением вырезали темплеты для макро- и микрошлифов.This level of shock pressure reliably simulates the ballistic impact of a bullet hit [6]. From welds mechanically with forced cooling cut templates for macro and microsections.

Структуру металла сварных соединений определяли путем металлографического и рентгенографического анализа.The structure of the metal of welded joints was determined by metallographic and X-ray analysis.

Проводили измерение микротвердости металла зоны сплавления и металла шва (согласно ГОСТ 9450-76 при нагрузке 50 г);The microhardness of the metal of the fusion zone and the weld metal was measured (according to GOST 9450-76 with a load of 50 g);

Были проведены баллистические испытания, которые заключались в отстреле исследуемого фрагмента пулями калибра 7,62 мм. В зоне баллистического поражения образца 5 было проведено металлографическое исследование микроструктуры и измерение микротвердости металла.Ballistic tests were carried out, which consisted in the shooting of the fragment under investigation with 7.62 mm caliber bullets. In the zone of ballistic damage of sample 5, a metallographic study of the microstructure and the measurement of the metal microhardness were carried out.

Обозначения образцов приведены в таблице 1 (фиг. 1).Designations of the samples are given in table 1 (Fig. 1).

Наличие причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом показано в таблице 2 (фиг. 2). Повышение микротвердости при пластической деформации в образце 4 является предпосылкой для обеспечения пулестойкости. Это было подтверждено при реальных пулевых испытаниях.The presence of a causal relationship between the set of essential features of the claimed object and the technical result achieved is shown in Table 2 (Fig. 2). Increased microhardness during plastic deformation in sample 4 is a prerequisite for providing bullet resistance. This was confirmed by real-world bullet tests.

Наплавленный металл из проволок, выбранных в качестве прототипа и аналога, образцы 6, 7, показали отрицательный результат по итогам баллистических испытаний. Отмечено проникающее поражение шва на металле толщиной 13 мм. Металл, наплавленный проволокой по предложенному техническому решению, испытания выдержал, см. фиг. З. На шлифе показан след от пули в металле, наплавленном проволокой по предложенному техническому решению (основной металл - броня толщиной 13 мм).The weld metal from the wires, selected as a prototype and analogue, samples 6, 7, showed a negative result according to the results of ballistic tests. Marked penetration of the seam on the metal is 13 mm thick. The metal deposited by the wire according to the proposed technical solution passed the tests, see FIG. H. The thin section shows the trace of a bullet in a metal welded with wire according to the proposed technical solution (the main metal is armor 13 mm thick).

Металлографическое исследование у образца 5 микроструктуры зоны баллистического поражения (зоны, прилегающей к следу от пули) показало, что в участке, прилегающем к пулевому отверстию, произошли значительные структурные изменения. Деформация от пули вызвала сжатие в направлении, перпендикулярном направлению движения пули. В результате такой деформации зерна аустенита сильно вытянулись в направлении движения пули, в некоторых из них произошло мартенситное превращение с образованием пластинчатых или игольчатых кристаллов мартенсита. Количество мартенсита увеличилось от 10-15% до 40-50%. Подобные изменения структуры наблюдаются на расстояниях более 0 мм и до 1,0-1,5 мм от пулевого отверстия. Микротвердость непосредственно вблизи пулевого отверстия высока и составляет ~530 HV. На расстоянии 1,0-1,2 мм она интенсивно снижается до 440-450 HV. На более значительном расстоянии наблюдается более плавное снижение микротвердости. На значительном расстоянии от пулевого отверстия микротвердость составляет 360-370 HV, что приближается к значениям микротвердости наплавленного металла, не подвергавшегося ударным нагрузкам.A metallographic study of sample 5 of the microstructure of the ballistic zone (the zone adjacent to the bullet track) showed that significant structural changes occurred in the area adjacent to the bullet hole. The deformation of the bullet caused compression in the direction perpendicular to the direction of the bullet. As a result of this deformation, the austenite grains are strongly elongated in the direction of the bullet movement, in some of them a martensitic transformation has occurred with the formation of lamellar or needle martensite crystals. The amount of martensite increased from 10-15% to 40-50%. Similar structural changes are observed at distances greater than 0 mm and up to 1.0-1.5 mm from the bullet hole. The microhardness directly near the bullet hole is high and amounts to ~ 530 HV. At a distance of 1.0-1.2 mm, it is intensively reduced to 440-450 HV. At a greater distance, a smoother decrease in microhardness is observed. At a considerable distance from the bullet hole, the microhardness is 360-370 HV, which is close to the microhardness values of the weld metal that has not been subjected to shock loads.

Техническое решение позволяет обеспечить пулестойкость сварных соединений, выполненных разработанной проволокой, и предотвращение трещин при сварке среднелегированных высокопрочных сталей.The technical solution allows to provide bullet resistance of welded joints made by the developed wire and to prevent cracks during welding of medium-alloyed high-strength steels.

ЛитератураLiterature

1. Гладышев С.А., Григорян В.А. Броневые стали. - М.: Интермет Инжиниринг, 2010. - 336 с.1. Gladyshev S.A., Grigoryan V.A. Armor steel. - M .: Intermet Engineering, 2010. - 336 p.

2. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением / Под ред. Б.Е. Патона. - М: Машиностроение, 1974, 768 с.2. The technology of electric welding of metals and alloys by melting / Ed. B.E. Paton. - M: Mechanical Engineering, 1974, 768 p.

3. Сварка и свариваемые материалы: Справочник в 3 т. Под ред. В.Н. Волченко. Т.1 Свариваемость материалов. Под ред. Э.Л. Макарова. -М.: Металлургия, 1991, 528 с. 3. Welding and materials to be welded: Reference book in 3 tons. Ed. V.N. Volchenko. T.1 Weldability of materials. Ed. A.L. Makarova. -M .: Metallurgy, 1991, 528 p.

4. Демченко Э.Л., Васильев Д.В. Влияние структурно-фазового состояния высокопрочного металла на свойства сварных соединений закаливающихся сталей. // Автоматическая сварка, 2007, №7, с. 38-43.4. Demchenko E.L., Vasiliev D.V. The influence of the structural-phase state of a high-strength metal on the properties of welded joints of hardening steels. // Automatic welding, 2007, №7, p. 38-43.

5. Литвиненко-Арьков Б.В., Соколов Г.Н., Кязымов Ф.А., Лысак В.И., Гуц С.С. Легирование наплавленного металла азотом через наполнитель порошковых проволок. // Изв. ВолгГТУ, 2013, вып. 6 (109) / том 7, с. 152-155.5. Litvinenko-Ar'kov B.V., Sokolov G.N., Kyazymov F.A., Lysak V.I., Guts S.S. Doping of the weld metal with nitrogen through the filler cored wires. // Izv. VolgGTU, 2013, no. 6 (109) / vol. 7, p. 152-155.

6. Алексенцева СЕ. Ударно-волновые процессы взаимодействия высокоскоростных элементов с конденсированными средами / Дис. … д.т.н. - Самара, 2015, 173 с.6. Aleksentseva CE. Shock-wave processes of interaction of high-speed elements with condensed media / Dis. ... dr.ts. - Samara, 2015, 173 p.

Claims

Wire for welding of medium-carbon medium-alloyed armor steels containing iron, chromium, carbon, titanium, characterized in that it additionally contains nitrogen and aluminum in the following ratio of elements, wt. %: chromium 18.5-22.0, carbon 0.3-0.4, nitrogen 0.1-0.2, aluminum 0.05-0.1, titanium 0.08-0.2, iron the rest.