Применение высокоазотистой сварочной проволоки в качестве присадочного материала при аргонодуговой сварке

Язык труда и переводы:
УДК:
669
Дата публикации:
18 мая 2022, 11:42
Категория:
Материаловедение и новые материалы в машиностроении
Авторы
Костина Валентина Сергеевна
Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова
Костина Мария Владимировна
Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова
Кудряшов Александр Эдуардович
Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова
Мурадян Саркис Ованесович
Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова
Аннотация:
Представлено исследование сварных соединений аустенитной высокоазотистой стали, полученных ручной аргонодуговой сваркой с использованием в качестве сварочного присадочного материала разработанной проволоки с ~ 0,55 % азота. Показано, что сварные соединения бездефектные, имеют аустенитную структуру. Содержание азота в металле шва после сварки осталось неизменным. Достигнут высокий уровень механических свойств при испытаниях на растяжение и ударный изгиб.
Ключевые слова:
высокоазотистая сталь, сварка, сварное соединение, аустенитная структура, механические свойства
Основной текст труда

Введение

Развитие новых концепций машиностроения тесно связано с созданием новых конструкционных материалов, обладающих повышенными механическими свойствами и коррозионной стойкостью, хладостойкостью и износостойкостью. Одним из перспективных материалов являются аустенитные коррозионностойкие стали с высокой равновесной концентрацией азота. К настоящему времени проведены достаточно глубокие исследования по изучению влияния легирующих элементов на структуру и свойства этих сталей, выявлены механизмы фазо- и структурообразования при термической и деформационной обработке [1–5]. Однако вопросы их свариваемости до сих пор являются не полностью изученными. Получение прочных немагнитных коррозионностойких сварных соединений напрямую связано с материалом сварочной проволоки, обеспечивающим полный комплекс требуемых характеристик.

В настоящее время существуют несколько проблем, от решения которых зависит развитие работ по сварке аустенитных высокоазотистых сталей, например, отсутствие на мировом рынке сварочных присадочных материалов с [N] ≤ 0,37 %, отсутствие доступной и воспроизводимой технологии их сварки [6–8].

С целью решения указанных проблем был разработан сварочный присадочный материал с высоким равновесным содержанием азота, обеспечивающий высокий уровень механических свойств и коррозионной стойкости, стабильность аустенитной структуры металла шва в процессе термического цикла сварки и немагнитность сварного соединения.

В качестве основы была выбрана Fe–Cr–Ni–Mn–Mo–N система легирования, с добавлением некоторого количества углерода, кремния и ванадия. Обеспечение аустенитной структуры сопровождалось выполнением условия:

Δ  =1,17×Crэкв – Niэкв ≤ 11,16                                                                                             (1),

где значения никелевого Niэкв и хромового Crэкв эквивалентов модифицированной диаграммы Шеффлера рассчитывали по формулам:

Niэкв = [Ni] + 0,1[Mn] — 0,01[Mn]2 + 18[N] + 30[C]                                                               (2)

Crэкв = [Cr] + 1,5[Mo] + 0,48[Si] + 2,3[V] + 1,75[Nb]                                                           (3)

Для обеспечения коррозионной стойкости выполнено условие:

PREN (Pitting resistance equivalent number) = %Cr+3,3×%Mo+16×%N ≥ 31                   (4).

Изготовление сварочной проволоки включало в себя следующие технологические операции:

  • выплавку стали с рассчитанным химическим составом;
  • гомогенизацию литой структуры;
  • прокатку с предварительным подогревом;
  • ротационную ковку;
  • волочение проволоки;
  • механическую очистку поверхности проволоки.

Таким образом, состав полученной сварочной проволоки [9] обеспечивает оптимальное сочетание легирующих элементов аустенито- и ферритообразователей для получения аустенитной структуры металла шва, высокого уровня механических и коррозионных свойств сварного соединения. При сварке элементов конструкций из стали с высокой концентрацией азота этот состав, содержащий значительное количество хрома, марганца и молибдена — элементов, повышающих растворимость азота в твердых растворах на основе железа, позволяет усвоить металлом сварного шва азот из свариваемого металла без образования газовых пор азота и горячих трещин.

Для опробования сварочной проволоки с высоким содержанием азота с использованием аргонодуговой сварки были получены бездефектные сварные соединения литой высокоазотистой стали марки 05Х22АГ15Н8М2ФЛ (N ~ 0,57%). Микроструктура каждой из зон сварного соединения аустенитная, что подтверждено измерениями с помощью ферритометра. Определение содержания азота в металле шва показало, что в процессе сварки его количество не изменилось и составляет 0,55 % масс. ± 0,01. Механические свойства сварного соединения имеют высокий уровень при испытаниях при 20 °С на растяжение (σ0,2 = 368 МПа, σВ = 687 МПа) и ударный изгиб (221 Дж/см2).

Заключение

  1. Разработана аустенитная сварочная проволока с высоким содержанием азота (~0,55 % масс.).
  2. Получено качественное без пор и трещин сварное соединение ручной дуговой сваркой неплавящимся электродом в среде аргона.
  3. Сварное соединение показало высокий уровень свойств при испытаниях на растяжение (σ0,2 = 368 МПа, σВ = 687 МПа) и ударный изгиб (221 Дж/см2).
Грант
Исследование выполнено за счет гранта Президента МК-1100.2022.4, по программе УМНИК № 13996ГУ/2019 от 14.05.2019.
Литература
  1. Berns H. Manufacture and application of high nitrogen steels. ISIJ Int., 1996, vol. 36 (7), pp. 909–904. https://doi.org/10.2355/ISIJINTERNATIONAL.36.909
  2. Simmons J.W. Overview: high-nitrogen alloying of stainless steels. Materials Science and Engineering. Ser. A, 1996, vol. 207, pp. 159–169. https://doi.org/10.1016/0921-5093(95)09991-3
  3. Foct J. Future developments and applications of nitrogen-bearing steels and stainless steels. Sadhana, 2003, vol. 28, pt. 3–4, pp. 731–737. https://doi.org/10.1007/BF02706456
  4. Speidel M.O. Nitrogen Containing Austenitic Stainless Steels. Mat-wiss. u. Werkstoiftech, 2006, vol. 37, no. 10, pp. 875–880. https://doi.org/10.10O2/mawe.20O6O0O68
  5. Lo K.H., Shek C.H., Lai J.K.L. Recent developments in stainless steels. Materials Science and Engineering, 2009, vol. 65, pp. 39–104. https://doi.org/10.1016/j.mser.2009.03.001
  6. Holmberg B. Progress on welding of high nitrogen alloyed austenitic stainless steels. Welding in the World, 2002, vol. 46, iss. 1–2, pp. 3–9. https://doi.org/10.1007/BF03266359
  7. Hazraa M., Rao K.S., Reddy G.M. Friction welding of a nickel free high nitrogen steel: influence of forge force on microstructure, mechanical properties and pitting corrosion resistance. Journal of Material Research and Technology, 2014, vol. 3 (1), pp. 90–100. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2013.12.001
  8. Herold H., Zinke M., Hübner A. Investigations on the use of Nitrogen Shielding Gas in Welding and its Influence on the Hot Crack Behaviour of High-Temperature Resistant Fully Austenitic Ni- and Fe-Base Alloys. Welding in the World, 2005, vol. 49 (5–6), pp. 50–63. https://doi.org/10.1007/BF03263410
  9. Костина В.С., Костина М.В., Дормидонтов Н.А., Мурадян С.О. Сварочная проволока с высоким содержанием азота. Патент 2768949 Российская Федерация, 2022.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.