Низколегированные стали
Низколегированные стали должны обладать хорошей пластичностью, удовлетворительной свариваемостью и высокой сопротивляемостью хрупкому разрушению. Оптимальные механические свойства они приобретают после закалки или нормализации и последующего высокого отпуска. Примеры низколегированных сталей — 14Г2, 14ХГС, 15ГС и другие. Они характеризуются малым содержанием углерода (<0,18%). Высокие механические свойства низколегированных и малоуглеродистых сталей достигаются применением других присадок (марганца, хрома, никеля, кремния и других).
Данные виды металла отличаются хорошей свариваемостью и хорошей ударной вязкостью с низким пределом хладноломкости (- 40С° — — 60С°). Они имеют мелкозернистую структуру, так как изготовляются спокойными. Наличие никели, хрома, меди увеличивает коррозионностойкость многих марок сталей. Однако низколегированные имеют повышенную чувствительность к концентрации напряжений и поэтому у них более низкая вибрационная прочность.
Технология сварки низколегированных металлов
Основными показателями свариваемости низколегированных сталей являются сопротивляемость сварных соединений холодным трещинам и хрупкому разрушению. Такие металлы обычно имеют ограниченное содержание C, Ni, Si, S и P, поэтому при соблюдении режимов сварки и правильном применении присадочных материалов горячие трещины отсутствуют. Критериями при определении диапазона режимов выполнения сварочных работ и температур предварительного подогрева служат допустимые максимальная и минимальная скорости охлаждения металла околошовной зоны. Максимально допустимые скорости охлаждения принимаются таким образом, чтобы предотвратить образование холодных трещин в металле околошовной зоны.
Химический состав сплавов
Электроды для сварки низколегированных сталей ручной дуговой сваркой имеют низководородное фтористо-кальциевое покрытие. Широко применяют электроды типа Э70 по ГОСТ 9467-75. Сварку выполняют постоянным током при обратной полярности. Металл, наплавленный электродами, должен соответствовать следующему химическому составу, %: С до 0,10 ; Mn 0.8…1,2 ; Si 0,2…0.4 ; Cr 0,6…1,0 ; Mo 0,2…0.4 ; Ni 1,3…1,8 ; S до 0,03 ; Р до 0,03. Сварочный ток выбирают в зависимости от марки и диаметра электрода, при этом учитывают положение шва в пространстве, вид соединения и толщину свариваемого металла. Сварку технологических участков нужно производить без перерывов, не допуская охлаждения сварного соединения ниже температуры предварительного подогрева и нагрева его перед выполнением следующего прохода выше 200С°.
Особенности сварки низколегированных сталей под флюсом заключаются в её проведении на постоянном токе обратной полярности. Сила тока при этом не должна превышать 800 А, напряжение дуги — не более 40 В, скорость сварки изменяют в пределах 13…30 м/ч. Одностороннюю однопроходную сварку применяют для соединений толщиной до 8 мм и выполняют на остающейся стальной подкладке или флюсовой подушке. Максимальная толщина соединений без разделки кромок, свариваемых двусторонними швами, не должна превышать 20 мм. Для стыковых соединений без скоса кромок (односторонних или двусторонних) используют проволоку марки Св-08ХН2М, так как швы в этом случае имеют излишне высокую прочность и применение более легированной проволоки для таких соединений нецелесообразно.
Влияние легирующих элементов на структуру и свойства металлов
Если сварка низкоуглеродистых и низколегированных сталей осуществляется в углекислом газе, то в качестве электрода применяют проволоку марок Св-08Г2С, Св-10ХГ2СМА, Св-08ХН2Г2СМЮ (ГОСТ 2246-70) или порошковую проволоку. При сварочных работах в смесях на основе аргона используют проволоку марки Св-08ХН2ГМЮ, которая обеспечивает высокий уровень механических свойств и хладостойкость металлических швов при сварке сталей с прочностью до 700 МПа. Проволоки указанных марок рекомендуются и для сварки угловых швов с катетом свыше 15 мм. Для угловых швов с меньшим катетом в большинстве случаев используют проволоку марки Св-08Г2С. Эту проволоку также применяют при сварке низкоуглеродистых и низколегированных сталей повышенной прочности 09Г2, 10Г2С1, 14Г2, 10ХСНД и 15ХСНД.
Газовая сварка низколегированных сталей характеризуется повышенным разогревом свариваемых кромок, пониженной коррозионностойкостью и усиленным выгоранием легирующих примесей. Это приводит к ухудшению качества сварных соединений по сравнению с другими способами сварки. При газовой сварке в качестве присадочного материала используют проволоку марок СВ-10Г2, Св-08, Св-08А, а для ответственных швов — Св-18ХГС и Св-18ХМА. Механические свойства шва можно повысить проковкой при температуре 800 °С — 850°С с последующей нормализацией.
Группы свариваемости сталей
Каждый из металлов можно отнести к нескольким группам свариваемости. Всего существует 4 группы свариваемости стали.
1 группа. Эта группа характеризуется хорошей свариваемостью металла. Сварка такого металла производится без подогрева и без последующей термообработки. Хотя в некоторых случаях можно провести небольшой подогрев стали после сварки. Это поможет снять внутренние напряжения.
2 группа. Стали этой группы склонны к образованию небольших дефектов (трещин) в процессе сварки. Чтобы этого не допустить, необходимо выполнять предварительный подогрев металла до 120-150°С.
3 группа. Стали этой группы плохо свариваются. Происходит частичное отслоение шва от основного металла. Возможно образование трещин и других дефектов. Для выполнения сварки необходим подогрев до 300-500°С и последующее плавное остывание. Только так можно добиться приемлемого результата.
4 группа. Это самая плохая группа свариваемости стали. Такие стали не используют для изготовления сварных конструкций. Используют их для изготовления деталей путём механической обработки.
Поэтому, выбирая металл для изготовления различных сварных конструкций, нужно в первую очередь определиться с маркой стали. После этого в марочнике сталей В. Г. Сорокина можно узнать о свариваемости стали. Скачать справочник можно по ссылке выше. Но можно свариваемость просчитать самостоятельно.
Среднелегированные стали
Среднелегированные стали содержат углерод в количестве от 0,4% и более. Они легированы в основном Ni, Mo, Cr, V, W. Оптимальное сочетание прочности, вязкости и пластичности достигается после закалки и низкого отпуска. Такие среднелегированные стали, как ХВГ, ХВСГ, 9ХС, пользуются большим спросом за счет своих легирующих добавок при изготовлении сверл, разверток и протяжек.
Эти стали выплавляют из чистых шихтовых материалов для повышения пластичности и вязкости. Также их тщательным образом очищают от фосфора, серы, газов и различных неметаллических включений. В этом случае стали могут подвергаться электрошлаковому или вакуумно-дуговому переплаву, рафинированию в ковше жидкими синтетическими шлаками. Хорошее сочетание прочности, вязкости и пластичности среднелегированных сталей достигается термомеханической обработкой.
Технология сварки среднелегированных металлов
Чтобы обеспечить эксплуатационную надежность сварных соединений, нужно при выборе сварочных материалов стремиться к получению швов такого химического состава, при котором их механические свойства имели бы требуемые значения. Степень изменения этих свойств зависит от доли участия основного металла в формировании шва. Поэтому следует выбирать такие сварочные материалы, которые содержат легирующих элементов меньше, чем основной металл. Легирование металла шва за счет основного металла позволяет повысить свойства шва до необходимого уровня.
При сварке среднелегированных глубокопрокаливающихся высокопрочных сталей нужно выбирать такие сварочные материалы, которые обеспечат получение швов, обладающих высокой деформационной способностью при минимально возможном количестве водорода в сварочной ванне. Это достигается применением низколегированных сварочных электродов, не содержащих в покрытии органических веществ и подвергнутых высокотемпературной прокалке. Одновременно при выполнении сварочных работ следует исключить другие источники насыщения сварочной ванны водородом (влага, ржавчина и другие).
Для сварки среднелегированных сталей широко применяются аустенитные сварочные материалы. Для механизированной сварки и изготовления стержней электродов в ГОСТ 2246-70 предусмотрены проволоки марок Св-08Х20Н9Г7Т и Св-08Х21Н10Г6, а в ГОСТ 10052-75 — электроды типа ЭА-1Г6 и др. Электродные покрытия применяются вида Ф, а для механизированной сварки — основные флюсы. Для сварки среднелегированных высокопрочных сталей используют электроды типов Э-13Х25Н18, Э-08Х21Н10Г6 и другие по ГОСТ 10052-75 и ГОСТ 9467-75.
Высокое качество сварных соединений толщиной 3…5 мм достигается при аргонодуговой сварке неплавящимся электродом. При этом для увеличения проплавляющей способности дуги применяют активирующие флюсы (АФ). Сварка с АФ эффективна при механизированных способах для получения равномерной глубины проплавления. Неплавящийся электрод при сварке с АФ выбирают из наиболее стойких в эксплуатации марок активированного вольфрама.
Газовая сварка легированных сталей осуществляется ацетиленокислородом, который обеспечивает качественный сварной шов. Газы-заменители в данном случае применять не рекомендуется. Но даже ацетиленокислород не может стопроцентно гарантировать получение качественного шва. Этого можно достичь только путем применения дуговой сварки.
Двери из металла своими руками — идеальное решение, если вы хотите сэкономить. Закалка стали — обязательный этап в машиностроении, так как от правильности его выполнения зависит качество продукции. Подробнее читайте в этой статье.
Из металла можно делать очень красивые изделия. Интересные идеи вы найдете по https://elsvarkin.ru/prakticheskoe-primenenie/suveniry-i-ukrasheniya-iz-metalla-svoimi-rukami/ ссылке.
Теоретические основы дуговой и электрошлаковой сварки
Содержание кислорода в металле шва в значительной мере зависит от содержания углерода, причем с увеличением последнего содержание кислорода уменьшается (рис. 26). Вследствие выгорания углерода удаляется из металла в виде окиси углерода часть кислорода.
Следует однако иметь в виду, что реакция окисления углерода при температуре затвердевания шва может вызвать в нем появление пористости. При увеличении содержания углерода в электродной проволоке возрастает переход кремния и марганца из проволоки и флюса в шов.
Рис. 26. Влияние содержания углерода в нелегированной проволоке на количество кислорода в наплавленном металле при сварке под флюсом типа АН-348.
Переход серы и фосфора из флюса в шов зависит от содержания их во флюсе, а также от содержания окислов марганца и железа во флюсе и от режима сварки (рис. 27).
С увеличением окиси марганца во флюсе увеличивается переход марганца в сварочную ванну, вследствие чего он связывает и переводит в шлак большее количество серы. С увеличением марганца в составе флюса возрастает обычно и содержание в нем фосфора, что способствует увеличению перехода фосфора в шов.
Рис. 27. Переход серы и фосфора в шов в зависимости от содержания окиси марганца, серы и фосфора во флюсе и от режима сварки
При увеличении сварочного тока уменьшается количество расплавленного флюса, уменьшается продолжительность контактирования капель жидкого металла с флюсом, вследствие чего содержание фосфора в шве уменьшается, а серы несколько возрастает.
С повышением напряжения дуги при неизменном токе значительно возрастает отношение количества расплавленного флюса к расплавленному металлу, возрастает время пребывания капель электродного металла в дуговом промежутке — в месте наиболее высоких температур металла и флюса и поэтому интенсивного их взаимодействия — вследствие чего переход марганца, кремния и фосфора из флюса в шов возрастает, а содержание серы в шве уменьшается.
Повышение содержания окиси кальция во флюсе за счет снижения содержания окиси марганца не снижает, а, наоборот, несколько увеличивает переход серы в металл шва.
Это указывает на превалирующую роль марганца в снижении серы в шве при автоматической сварке. Повышение содержания во флюсе кремнезема также увеличивает переход серы в шов.
При сварке высоколегированных аустенитных коррозионностойких сталей в последние годы находят применение высокоокислительные низкокремнистые флюсы (например, АН-18) содержащие повышенное количество окислов железа (FeO, Fe23).
При этом происходит выгорание всех элементов, обладающих сродством к кислороду, в том числе серы, фосфора (рис. 28, а), и снижение содержания водорода в шве (рис. 28, б).
Содержание кислорода в металле при этом несколько возрастает в виде включений дисперсных комплексных окислов хрома, титана и др., в результате чего повышается трещиноустойчивость металла шва.
Для сварки конструкций, работающих при весьма низких температурах (—150 — 269°С). применяется слабоокислительный флюс АН-45 или ему подобные, содержащие в своем составе окисел циркония для улучшения технологических свойств флюса (уменьшения пористости шва, вызываемой азотом, отделимости шлаковой корки и др.).
Рис. 28. Влияние количества окислов железа в низкокремнистом низкомарганцевом сварочном флюсе на содержание легирующих элементов и примесей (а), кислорода и водорода (б) в наплавленном металле проволокой 06Х23Н28МВД3Т
Высоколегированные стали
Высоколегированные стали имеют повышенно содержание легирующих элементов — Cr и Ni (обычно не ниже 16% и 7% соответственно). Они придают таким металлам соответствующую структуру и необходимые свойства. Высоколегированные стали по сравнению с менее легированными обладают высокой хладостойкостью, коррозионностойкостью, жаропрочностью и жаростойкостью. Несмотря на высокие свойства этих сталей, их основное служебное назначение определяет соответствующий подбор состава легирования. В соответствии с этим их можно разделить на три группы: жаростойкие, жаропрочные и коррозионностойкие.
После соответствующей термообработки высоколегированные стали обладают высокими прочностными и пластическими свойствами. В отличие от углеродистых при закалке эти материалы приобретают повышенные пластические свойства.
Структуры высоколегированных сталей очень разнообразны и зависят в основном от их химического состава, то есть от содержания основных элементов: хрома (ферритизатора) и никеля (аустенитизатора). Также на структуру влияет содержание других легирующих элементов-ферритизаторов (Mo, Ti, Si, Al, W, V) и аустенизаторов (Co, Cu, C, B).
Влияние марганца на свойства сварного шва
Сталь 12Х18Н10Т широко используется при изготовлении изделий, эксплуатирующихся в агрессивных средах. Основными трудностями при сварке этой стали является ее склонность к образованию кристаллизационных трещин, повышенный нагрев электрода и возможная потеря коррозионной стойкости сварными швами [2]. Хром, содержание которого в этой стали составляет 17–19 %, представляет собой основной элемент, обеспечивающий способность материала к пассивации и, как следствие, его высокую коррозионную стойкость [3]. При сварке стали необходим наиболее полный перевод хрома в наплавленный металл [4]. И совершенствование технологии сварки, источников питания, сварочных материалов способствуют решению этой проблемы.
Цель исследования – оценить влияние силы сварочного тока и типа источника питания на переход легирующих элементов в наплавленный металл.
Материалы и методы исследования
Для эксперимента были подготовлены группы стыковых соединений, выполненных с применением отечественных сварочного выпрямителя ВДМ-1201 и инверторного источника питания ARC 200i. Инверторные источники питания обладают значительно меньшей массой по сравнению с традиционными, существенным снижением потерь мощности и, следовательно, повышенным коэффициентом полезного действия. Сваривали пластины размером 150×100 мм и толщиной от 5 до 10 мм. Использовали три марки электродов диаметром 3,0 мм: ОЗЛ-8 (Россия) [1], ОК-61.30 (Швеция) и Feji ER-308 (Швеция).
Сварку всех соединений выполнял один и тот же рабочий на постоянном токе обратной полярности с величиной: 60, 80, 100 и 140 А (заводами-изготовителями электродов для ручной дуговой сварки рекомендован интервал от 60 до 100 А). После выполнения каждого слоя шва и охлаждения его на воздухе производили его зачистку от шлака до металлического блеска.
Для определения химического состава наплавленного металла и электродных стержня и покрытия (табл. 1–2) использовали рентгенофлюоресцентный анализ (РФА) зачищенного шва на спектрометре X-MET 5000 с пакетом программ Х MET. Перед проведением РФА поверхность исследуемых образцов шлифовали. На рис. 1 и 2 представлены примеры зависимости содержания хрома и марганца от силы сварочного тока.
Результаты исследования и их обсуждение
Во всех случаях содержание легирующих элементов в наплавленном металле слабо зависит (не более 5 %) от силы сварочного тока в исследованном интервале. Исключение составляют марганец и титан. Содержание титана значительно снижается при повышении силы тока (в интервале от 0,34 до 0,05 % для электродов ОЗЛ-8, и от 0,22 до 0,04 % для электродов Feji). Исключение составляют электроды ОК 61.30, при сварке которыми содержание титана увеличивается с увеличением сварочного тока, с 0,03 до 0,19 %. Правда, максимальная концентрация титана в наплавленном металле невелика.
Химический состав электродной проволоки
Содержание химических элементов, %
Химический состав покрытия электродов
Содержание химических элементов, %
а
б
Рис. 1. Содержание хрома в наплавленном металле при сварке электродами Feji ER-308 (1), ОК 61.30 (2) и ОЗЛ-8 (3) с помощью: а – выпрямителя ВДМ – 1201; б – инверторного источника ARC 200i
Содержание марганца в сварном шве при использовании электродов ОЗЛ-8 повышено по сравнению с его концентрацией в основном металле, при этом с ростом силы сварочного тока содержание увеличивается за счёт ускоренного выгорания титана, который обладает повышенным сродством к кислороду [5]. При использовании электродов ОК 61.30 и Feji ER – 308 содержание марганца в пределах нормы и слабо зависит от режимов сварки.
Переход никеля в наплавленный металл практически не зависит от силы сварочного тока (в пределах 3 % от содержания элемента, т.к. он обладает низким сродством к кислороду [5] и слабо окисляется). При сварке электродами ОЗЛ-8 его содержание ниже, чем в основном материале приблизительно на 15 %.
Максимальный переход хрома в наплавленный металл наблюдали в случае использования электродов ESAB OK 61.30 при сварке с помощью обоих источников питания (до 19,42 %). При этом с увеличением силы тока его содержание снижается (с 19,16 до 18,75 % с применением выпрямителя, и с 19,42 до 19,2 % с применением инвертора). При сварке электродами ОЗЛ – 8 содержание хрома занижено, но находится в пределах нормы, с увеличением силы тока снижается незначительно. С использованием электродов Feji содержание хрома в пределах 18 %, с увеличением силы тока увеличивается, но незначительно (на 3,7 %).
а
б
Рис. 2. Содержание марганца в наплавленном металле при сварке электродами Feji ER-308 (1), ОК 61.30 (2) и ОЗЛ-8 (3) с помощью: а – выпрямителя ВДМ – 1201; б – инверторного источника ARC 200i
При повышении силы тока до 140 А при использовании инверторного источника питания отмечено существенное снижения расхода электродов и количества проходов для получения требуемых размеров шва. В частности, количество электродов на заполнение стыка снизилось до 3-х по сравнению с 5-ю при сварке с выпрямителем ВДМ 1201. Кроме того, облицовочный шов приобрел признаки, характерные для автоматической сварки: мелкочешуйчатость, плавный переход металла шва к основному металлу, техническую эстетичность.
Из электродов, использованных в исследовании, для сварки стали 12Х18Н10Т наилучшими являются ОК 61.30 производства компании ESAB. При этом наблюдали максимальный переход хрома и других основных легирующих элементов в наплавленный металл. Электроды Feji ER – 308 также удовлетворяют всем требованиям сварки использованной стали (идентичность химического состава металла сварного шва и основного металла), но являются более дорогостоящими. Электроды ОЗЛ-8 для сварки стали 12Х18Н10Т применять не рекомендуется, так как химический состав наплавленного металла не всегда соответствует составу стали.
Рецензенты:
Ковенский И.М., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Материаловедение и технология конструкционных материалов», заслуженный деятель науки Российской Федерации, г. Тюмень;
Гунцов А.В., д.х.н., заведующий кафедрой «Общая и физическая химия», Тюменский государственный нефтегазовый университет, г. Тюмень.
