DE69013535T2

DE69013535T2 - Beschichtete Elektroden zum Lichtbogenschweissen von niedrig legierten Stählen des Cr-Mo-Typs.

Info

Publication number: DE69013535T2
Application number: DE69013535T
Authority: DE
Inventors: Akinobu Goto; Shogo Natsume; Osamu Tanaka
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1989-02-21
Filing date: 1990-02-20
Publication date: 1995-03-09
Anticipated expiration: 2010-02-21
Also published as: JPH02220797A; EP0384381A1; EP0384381B1; DE69013535D1; US4994647A; JPH055599B2

Description

(Hintergrund der Erfindung)

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft eine Mantelelektrode, die insbesondere geeignet ist zur Verwendung beim Lichtbogenschweißen von 2,25-3%Cr-1%Mo-Stählen hoher Festigkeit, um ein Schweißgut mit ausgezeichneten Eigenschaften hinsichtlich der Hochtemperaturbeständigkeit und der Zähigkeit zu bilden.

Stand der Technik

Wegen der ausgezeichneten Hochtemperatureigenschaften ist 2,25-3%Cr-1%Mo- Stahl als Material für Kessel, Druckbehälter und chemische Reaktoren angewandt worden.
Solche 2,25-3%Cr-1%Mo-Stähle sind jedoch unzufriedenstellend für die Anwendung bei Druckkesseln, die unter höheren Temperatur- und Druckbedingungen verwendet werden, z. B. in einer Kohleverflüssigungsanlage. In einem Versuch, die Erfordernisse in dieser Hinsicht zu erfüllen, sind hochfeste 2,25-3%Cr-1%Mo-Stähle entwickelt worden, denen höhere Festigkeit durch den Zusatz von V und Nb verliehen worden ist und die gleichzeitig in den Eigenschaften gegen Wasserstoffangriffe verbessert worden sind.
Andererseits ist eine Zahl von Schweißmaterialien für die Stähle der obengenannten Art vorgeschlagen worden. Zum Beispiel schlagen die japanischen offengelegten Patentanmeldungen 62-137196 und 62-161496 eine Mantelelektrode zur Verwendung beim Lichtbogenschweißen von niedriglegierten Stählen des Cr-Mo-Typs.
Die Verbesserung der Hochtemperatureigenschaften wie der Standfestigkeit des Schweißmaterials einfach durch Zugabe von V und Nb führt jedoch zu einer übermäßigen Erhöhung der Festigkeit beim Raumtemperatur, wodurch ein Problem einer gesteigerten Sensitivität hinsichtlich der Wasserstoffversprödung auftritt.

(Zusammenfassung der Erfindung)

Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die obenerwähnten Probleme des Standes der Technik zu vermeiden und hat als ihre Aufgabe die Zurverfügungstellung einer Mantelelektrode, die insbesondere geeignet ist zum Schweißen von niedriglegiertem 2,25-3%Cr-1%-Mo-Stahl hoher Festigkeit und in der Lage ist, ein Schweißgut mit zufriedenstellenden Hochtemperatureigenschaften einschließlich der Standfestigkeit zu bilden, ohne einen übermäßigen Anstieg in der Festigkeit bei Raumtemperatur mit sich zu bringen.
Zur Lösung der obengenannten Aufgabe haben die vorliegenden Erfinder eine umfangreiche Studie durchgeführt insbesondere in bezug auf die Mantelelektrode, die die Hochtemperaturfestigkeit verbessern kann, ohne übermäßige Anhebung der Festigkeit bei Raumtemperatur.
Als ein Ergebnis ist gefunden worden, daß die vorgenannte Aufgabe gelöst werden kann durch Beschränkung der Gehalte der entsprechenden additiven Elemente nicht nur auf der Basis der Elektrode als ganzer, sondern auch in Beziehung insbesondere mit der Größe der C-, Mn- und Ni-Gehalte, wobei deren Ausbeuten in dem Schweißgutmetall berücksichtigt werden, wenn sie als Bestandteilelemente des Kerndrahtes und des Flußmittels geliefert werden.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird nämlich eine Mantelelektrode mit einem Kerndraht aus Stahl angegeben zur Verwendung beim Lichtbogenschweißen von niedriglegiertem Stahl des Cr-Mo-Typs, die durch Einstellung der Gehalte von additiven Elementen in ihrem Kerndraht und/oder Flußmittel kontrolliert ist, zu enthalten C ≤ 0,12%, Mn ≤ 1,0%, Si ≤ 0,4%, Cr=1,9-3,5%, Mo=0,85-1,5%, Ni ≤ 0,2%, N ≤ 0,017, V=0,16-0,4% und Nb = 0,002-0,045%, und gegebenenfalls B=0,0005-0,0060% in einem Bereich entsprechend der unten angegebenen Gleichung (1) und den Wert P in der unten angegebenen Gleichung (2) im Bereich von 1,00-1,70 zu haben, mit
M = {Bw x [M(%)]w} + {Af/1-Af x Bf x [M(%)]f} (1),
in der bedeuten
M: Gehalt (%) des Elements wie z. B. Cr, Mo oder dergleichen,
Bw: Ausbeutekoeffizient in dem Schweißgutmetall des von dem Kerndraht gelieferten Elements,
Bf: Ausbeutekoeffizient, in dem Schmelzgutmetall des von dem Flußmittel gelieferten Elements,
[M(%)]w: Gehalt (%) des Kerndrahtbestandteilelements in der Gesamtmasse des Kerndrahts,
[M(%)]f: Gehalt (%) des Flußmittelbestandteilelements in der Gesamtmasse des Flußmittels und
Af: Gewichtsverhältnis (%) der Flußmittelhülle zur Gesamtmasse der Elektrode und
P = 10 x C + Mn + Ni (%) (2).
Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden von der folgenden Beschreibung und den anhängenden Ansprüchen offenbar werden, in Verbindung mit der begleitenden Zeichnung.

(Kurze Beschreibung der Zeichnung)

In der begleitenden Zeichnung: Die einzige Zeichnung ist ein Diagramm, das die Menge von (10 x C + Mn + Ni) in Relation zur Standfestigkeit und Zugfestigkeit bei Raumtemperatur zeigt.

(Beschreibung der Erfindung in Einzelheiten)

Im folgenden wird die Erfindung detaillierter beschrieben.
Zuerst wird zur Bestimmung der Menge jedes additiven Elements, das in dem Kerndraht und/oder dem Flußmittel enthalten sein soll, der Ausbeutekoeffizient in dem Schweißgutmetall entsprechend der obigen Gleichung (1) in Betracht gezogen. In dieser Gleichung ist M der Gehalt (%) eines enthaltenden Elements wie z. B. Cr, Mo oder dergleichen, während [M(%)]w und [M(%)]f bestimmt werden durch die Zugabeanteile zu dem Kerndraht bzw. dem Flußmittel. Af ist der Gewichtsprozentanteil des Flußmittels an dem Gesamtgewicht der Elektrode und, obwohl er durch das Beschichtungsverhältnis bestimmt wird, wird er vorzugsweise gewählt in dem Bereich von 0,23 bis 0,32 im Falle einer Mantelelektrode, die mit dem Ziel der Erfindung übereinstimmt.
In bezug auf Bw und Bf, nämlich die Ausbeutekoeffizienten in dem Schweißgutmetall eines Elements, das von dem Kerndraht und dem Flußmittel geliefert wird, variieren ihre Werte von Element zu Element, z. B. in Abhängigkeit vom Grad der Affinität zu Sauerstoff, und selbst die Werte desselben Elements werden beeinflußt durch die Zusammensetzung des Flußmittels (z. B. durch die Gehalte der im allgemeinen enthaltenden Komponenten wie z. B. schlackebildendes Mittel, Bogenstabilisator und gasbildendes Mittel). Praktische Bereiche der entsprechenden additiven Elemente sind in Tabelle 1 gezeigt.
Im Hinblick auf diese Bedingungen basieren die obengenannten numerischen Beschränkungen der Gehalte der entsprechenden additiven Elemente des Kerndrahts und/oder des Flußmittels auf den folgenden Gründen.

[C: ≤ 0,12%]

C ist ein wichtiges Element zur Erhöhung der Härtbarkeit wie auch der Raumtemperatur- und Hochtemperaturfestigkeit des Schweißguts. Ein C-Gehalt oberhalb von 0,12 % neigt jedoch dazu, bei Erhitzung auf eine hohe Temperatur grobe Karbidprezipitationen zu beschleunigen, wodurch die Standfestigkeit verringert wird. Deshalb sollte der C-Gehalt nicht größer als 0,12 % sein.

[Mn: ≤ 1,0%]

Mn ist ein unverzichtbares Element zur Erhöhung der Härtbarkeit des Schweißguts und zur Sicherstellung seiner Festigkeit. Ein Mn-Gehalt von mehr als 1,0 % wird jedoch zu einer übermäßigen Abschreckhärtung und zur Erniedrigung der Rißbeständigkeit führen, was zu einer erniedrigten Standfestigkeit führt.

[Si: ≤ 0,4%]

Si ist ein wesentliches Element für die Deoxidierung des Schweißguts, aber die Zähigkeit wird durch thermisches Altern über eine lange Zeitperiode erniedrigt, wenn sein Gehalt größer als 0,4 % ist. Entsprechend sollte der Si-Gehalt beschränkt werden auf 0,4 % oder weniger.

[Cr: 1,9-3,5%]

Cr ist ein wesentliches Element zur Sicherstellung der Antioxidations- und Antikorrosionsbeständigkeit und der Hochtemperaturfestigkeit des Schweißguts und wird in dem Bereich von 1,9 bis 3,5 % in Abhängigkeit von der Natur des zu schweißenden Stahls zugefügt.

[Mo: 0,85-1,5%]

Ähnlich wie Cr ist Mo ein Element, das effektiv zur Erhöhung der Hochtemperaturfestigkeit ist und für diesen Zweck wenigstens in einer Menge von 0,85 % oder mehr zugefügt werden muß. Die Zugabe von mehr als 1,5 % Mo wird jedoch zu unerwünschten Verschlechterungen der Qualität der Schweißstelle führen. Entsprechend sollte der Mo-Gehalt in dem Bereich von 0,8-1,5 % sein.

[Ni: ≤ 0,2%]

Ni ist ein effektives Element zur Stabilisierung der Zähigkeit, aber es sollte beschränkt werden auf 0,2 % oder weniger, weil die Eigenschaften hinsichtlich Hochtemperaturfestigkeit und insbesondere Standfestigkeit erniedrigt werden, wenn der Gehalt 0,2 % übersteigt.

[V: 0,16-0,40%]

V ist ein Element, das extrem effektiv für die Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegenüber Wasserstoffangriffen wie auch zur Sicherstellung einer zufriedenstellenden Standfestigkeit ist. Insbesondere sollte es für die Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegenüber Wasserstoffangriffen zugegeben werden, wenigstens in einer Menge von 0,16 % oder mehr. Jedoch sollte, da ein V-Gehalt von mehr als 0,4 % zu einer Verschlechterung hinsichtlich der Zähigkeit führt, es in dem Bereich von 0,16-0,40 % zugefügt werden.

[Nb: 0,002-0,045 %]

Ähnlich wie V ist Nb wirksam zur Erhöhung der Standfestigkeit und muß, um die erwarteten Effekte sicherzustellen, wenigstens in einer Menge von 0,002 % oder mehr zugegeben werden. Da die Zähigkeit abrupt mit einem Nb-Gehalt oberhalb von 0,045 % fällt, sollte Nb in dem Bereich von 0,002-0,045 % zugegeben werden.

[N: ≤ 0,017%]

N ist schädlich unter dem Gesichtspunkt, ein Schweißgut mit guter Zähigkeit zu erhalten, und deshalb sollte sein Gehalt auf nicht mehr als 0,017 % unterdrückt werden.
Zusätzlich zu den obigen essentiellen additiven Elementen kann gegebenenfalls eine geeignete Menge von B zugefügt werden, wenn es gewünscht wird.

[B: 0,0005-0,0060 %]

B bewirkt eine Verstärkung der Abschreckhärtbarkeit und macht die Struktur feiner neben einer Verstärkung der Zähigkeit. Diese Effekte sind unzureichend, wenn sein Gehalt kleiner als 0,0005 % ist, und das Schweißgut wird zu hart, wenn der Gehalt 0,0060 % übersteigt. Entsprechend sollte der B-Gehalt in dem Bereich von 0,0005 - 0,0060 % liegen. Tabelle 1 Element
Um die Standfestigkeit zu erhöhen, welche ein wichtiges Hochtemperaturfestigkeitscharakteristikum ist, unter Sicherstellung der notwendigen Festigkeit bei Raumtemperatur wie in Figur 1 gezeigt, ist es ein Haupterfordernis für die Elektrode, nicht nur die ausgewählten Arten von wesentlichen Elementen in den optimalen Mengen - wie oben beschrieben - zu enthalten, sondern auch den Wert von P der unten angegebenen Gleichung (2) in dem Bereich von 1,00 - 1,70 zu halten.
P = 10 x C + Mn + Ni (%) (2)
Genauer ist es, zur Erzielung einer hohen Standfestigkeit, effektiv, feinteilige Karbide von V und Nb in dem Schweißgut zu prezipitieren und dispergieren. Es ist jedoch gefunden worden, daß ein übermäßiger C-Gehalt zur Vergröberung der Karbidprezipitate führt und daß Mn und Ni Wirkungen haben, solche Vergröberungen zu beschleunigen. Deshalb sollte, um eine hohe Standfestigkeit bei Sicherstellung der notwendigen Festigkeit bei Raumtemperatur die kombinierte Menge der C-, Mn- und Ni-Gehalte, nämlich der Wert P, so eingestellt werden, daß er in den Bereich von 1,00-1,70 fällt, wie durch die Gleichung (2) definiert.
Das heißt, die vorliegende Erfindung macht es möglich, ein Schweißgut mit einer hohen Standfestigkeit zu erhalten bei Unterdrückung eines übermäßigen Anstiegs der Festigkeit bei Raumtemperatur nicht nur durch Zugabe von V und Nb für die Verbesserung der Standfestigkeit, sondern auch dadurch, daß die Gehalte von V und Nb auf die minimalen notwendigen Mengen eingestellt werden durch Optimierung und Balancierung der zusätzlichen Gehalte an C, Mn und Ni.
Die Erfindung ist anwendbar auf niedriglegierte Stähle des Cr-Mo-Typs wie z. B. 2,25-3%Cr-1%Mo-Stahl mit oder ohne Zugabe von V, Nb oder dergleichen. Es muß nicht gesagt werden, daß es keine speziellen Beschränkungen hinsichtlich der Zusammensetzung des Stahls gibt, auf den die Erfindung angewandt wird.
Die vorliegende Erfindung wird in mehr Einzelheiten durch die folgenden Beispiele illustriert.

Beispiele

Nach Herstellung der Kerndrähte mit den in Tabelle 2 gezeigten chemischen Zusammensetzungen und der Flußmittel der Tabelle 3 enthaltend die additiven Elemente wurden sie in verschiedenen Kombinationen wie in Tabelle 4 gezeigt verwendet, um Mantelelektroden verschiedener eingestellter Zusammensetzungen herzustellen.
Unter Verwendung jeder der Elektroden wurden Schweißexperimente an Stahlplatten (ASTM A387 Gr21 Gr22) durchgeführt, die als Muttermetall angewandt wurden in Übereinstimmung mit der Zielzusammensetzung des Schweißguts. Die so gebildeten Schweißgute hatten die in Tabelle 4 gezeigten Zusammensetzungen.
Die Ergebnisse der Schweißexperimente sind in Tabelle 5 gezeigt. Wie in Tabelle 5 zu sehen, wurden bei allen erfindungsgemäßen Experimenten (Experimente 1 bis 4) zufriedenstellende Charakteristika hinsichtlich Hochtemperaturfestigkeit erhalten ohne übermäßige Anhebung der Festigkeit bei Raumtemperatur.
Zufriedenstellende Eigenschaften wenigstens hinsichtlich der Festigkeit bei Raumtemperatur, Hochtemperaturfestigkeit oder Zähigkeit konnten jedoch nicht erhalten werden in den Vergleichsbeispielen (Experimente Nr. 5 bis 16), bei denen ein beliebiges der additiven Elemente außerhalb des Bereichs der Erfindung lag oder bei denen die entsprechenden additiven Elemente innerhalb der erfindungsgemäßen Bereiche waren mit Ausnahme des Wertes von P.
Es wird verstanden werden anhand der vorhergehenden Beschreibung, daß, entsprechend der vorliegenden Erfindung, die Zusammensetzung der Mantelelektrode bestimmt wird unter Berücksichtigung der Ausbeute jedes Komponentenelements in dem Schweißgut wie auch der Beziehung zwischen den Gehalten einiger Schlüsselelemente, wodurch es erlaubt wird, ein Schweißgut mit ausgezeichneter Hochtemperaturfestigkeit und Zähigkeit zu bilden zusammen mit geeigneter Festigkeit bei Raumtemperatur, selbst wenn es auf hochfeste 2,25-3%Cr-1%Mo-Stähle angewandt wird. Tabelle 2 Chemische Zusammensetzung des Kerndrahts (Gew-%) Draht-Nr. Anmerkung: Der Rest ist Fe und unvermeidbare Verunreinigungen Tabelle 3 Legierungskomponenten des Flußmittels (Gew-%) Flußmittel-Nr. Anmerkung: Der Rest schließt Bogenstabilisator und schlackebildendes Mittel im allgemeinen Gebrauch ein. Tabelle 4 Chemische Zusammensetzung des Schweißguts Draht-Nr. Flußmittel-Nr Chemische Zusammensetzung des Schweißguts (Gew-%) Kategorie Erfindung Tabelle 5 Ergebnisse mechanischer Tests des Schweißguts Draht-Nr. Flußmittel-Nr Kategorie Energieabsorption bei -40 ºC (kgf . m) 482 ºC x 10&sup5; Stunden Standfestigkeit (kgf/mm²) Festigkeit bei Raumtemperatur (kgf/mm²) Beurteilung Erfindung Anmerkung: Mechanische Tests wurden nach einer Hitzebehandlung durchgeführt (690 ºC x 28 Stunden)

Claims

1. Mantelelektrode enthaltend einen Kerndraht aus Stahl zur Verwendung beim Lichtbogenschweißen von niedriglegiertem Stahl des Cr-Mo-Typs, die kontrolliert wird durch Einstellung der Gehalte der additiven Elemente in ihrem Kerndraht und/oder Flußmittel zu enthalten C ≤ 0,12%, Mn ≤ 1,0 %, Si ≤ 0,4%, Cr=1,9-3,5%, Mo=0,85-1,5%, Ni ≤ 0,2%, N ≤ 0,017, V=0,16-0,4% und Nb=0,002-0,045% in einem Bereich entsprechend der unten angegebenen Gleichung (1) und einen Wert von P der unten angegebenen Gleichung (2) innerhalb des Bereichs von 1,00-1,70 zu haben mit

M = {Bw x [M(%)]w} + {Af/1-Af x Bf x [M(%)]} (1),

in der bedeuten

M: Gehalt (%) des genannten additiven Elements,

Bw: Ausbeutekoeffizient in dem Schweißgutmetall des von dem Kerndraht gelieferten Elements,

Bf: Ausbeutekoeffizient in dem Schweißgutmetall des von dem Flußmittel gelieferten Elements,

[M(%)]w: Gehalt (%) des Kerndrahtbestandteilelements in der Gesamtmasse des Kerndrahts,

[M(%)]f: Gehalt (%) des Flußmittelbestandteilelements in der Gesamtmasse des Flußmittels und

Af: Gewichtsverhältnis (%) der Flußmittelhülle zur Gesamtmasse der Elektrode und

P = 10 x C + Mn + Ni (%) (2).

2. Mantelelektrode nach Anspruch 1, weiterhin enthaltend 0,0005-0,0060 % B als ein optionales additives Element.

3. Mantelelektrode nach Anspruch 1, bei der der genannte niedriglegierte Stahl des Cr-Mo-Typs ein hochfester 2,25-3%Cr-1%Mo-Stahl ist.