Вплив вуглецю на зварюваність сталі. Зварюваність загартованої сталі. Теоретична оцінка зварюваності
Зварюваність сталей – властивість металу або поєднань металів утворювати за встановленої технології зварювання з'єднання, що відповідає вимогам, зумовленим конструкцією та експлуатацією виробу (ДСТУ 3761.1-98).
Зварюваність сталі насамперед залежить від вмісту у ній основного (після заліза) хімічного елемента – вуглецю. Низьковуглецеві сталі з вмістом ≤ 0,25% зварюються добре. Це стали для будівельних металоконструкцій. З підвищенням вмісту вуглецю до 0,45% зварюваність сталі погіршується; погано зварюються високовуглецеві сталі - із вмістом до 0,9% вуглецю.
Для зварювання нержавіючих сталей найчастіше використовується «вапняно-фторидний» тип. Під час зварювання тільки частина розплаву флюсу і невикористаний матеріал зазвичай відводяться шлангом, що всмоктує, і випускаються в резервуар для подальшого використання. На додаток до необхідної міцності та стійкості до динамічних навантажень корозійна стійкість самого зварного шва, а також чутливих до нагрівання зон має відповідати опору основного матеріалу. Безпека та довговічність всієї зварної конструкціїбезпосередньо залежить від якості зварного шва.
Погіршують зварюваність багато хімічних елементів, що застосовуються у виробництві легованих сталей: такі як марганець Mnхром Cr, молібден Мо, ванадій V, кремній Siмідь Cu, а також домішка – фосфор Р.
Зі збільшенням вмісту сталі вуглецю, як найбільш вивченого за впливом на різні властивості сталі хімічного елемента, підвищується ймовірність лікваційної неоднорідності металу, виділення по межах зерен сульфідних включень, що сприяють тріщиноутворенню; збільшується схильність до утворення в зоні термічного впливу (ЗТВ) вельми крихкої структури мартенситу, що підвищує внутрішні напруження та схильність сталі до утворення тріщин. Аналогічно діють більшою чи меншою мірою легуючі елементи у складі сталі.
Механічна міцність заліза технічної чистоти низька. Вуглець зустрічається в природі у двох формах: алмаз та графіт. Графіт кристалізується у гексагональній системі, є м'яким матеріалом та має низьку міцність. Вуглецеві сталі отримують в електричних печах, печах Мартіна або в безсемерних конвертерах.
Ці сталі використовують для отримання деталей спеціального призначення. З точки зору окислення виділяються непошкоджені, напівкруглі та заспокійливі сталі. При однаковому вмісті вуглецю всі три сорти стали демонструють близькі значення властивостей міцності, але відрізняються з точки зору пластичності. Навіть при дуже невеликій зміні вмісту вуглецю він значно впливає на властивості сталей. Зі збільшенням вмісту вуглецю вміст цементиту збільшується.
Разом з тим, за дотримання технології зварювання, зварюваність багатьох низьколегованих будівельних сталей хороша і без спеціальних технологічних заходів. Деякі низьколеговані сталі для будівельних конструкцій задовільно зварюються при застосуванні додаткових технологічних прийомів.
2.3.2. Оцінка зварюваності сталі
Оцінка зварюваності сталі здійснюється шляхом урахування ряду найважливіших факторів, що визначають технологічні та споживчі властивості сталевого прокату, зварних з'єднань та швів:
Роль нових румунських стандартів, які відповідають європейським стандартам, полягає в тому, щоб Румунія дозволила якнайшвидше інтегрувати технології в Європі. Нелеговані сталі для загального користування. Нелеговані сталі для загального використання - це сталі, які виробляються стандартними виробничими процесами, не вимагають спеціальної технології виробництва, не вимагають термообробки, інших умов якості не передбачається, жодних особливих умов на будь-який легуючий елемент та механічні характеристики наведені для ламінованих або нормалізованих продуктів.
хімічний склад металу;
Швидкість охолодження металу у процесі зварювання;
Характер первинної кристалізації та наступних структурних перетворень при охолодженні;
Схильність металу зварного з'єднаннядо утворення гартових структур;
Схильність зварного з'єднання з цієї сталі до утворення гарячих та холодних тріщин;
Гвинти та гайки Якість нелегованих сталей – це сталі, які не накладали умов для певної термообробки чи чистоти по відношенню до неметалевих включень. Вимоги до якості, такі як міцність на розтягування, контроль розміру зерна, холодна деформованість, є жорсткішими, ніж вимоги до нелегованих сталі для загального призначення, що призводить до більш ретельного проектування цих сталей. Зубчасті колеса Спеціальні нелеговані сталі є сталями підвищеної чистоти для нелегованих сталей, особливо неметалічних включень, призначені для термічного загартування або поверхневої термообробки, а їх чудові характеристики забезпечуються ретельним аналізом. хімічного складу, ретельною розробкою та серйозним контролем процесу.
Одержання зварного шва необхідних хімічного складу, механічних та інших властивостей.
За багато десятиліть розвитку технології зварювання при виготовленні будівельних та інших конструкцій виявлено найбільший вплив на зварюваність з'єднання в ній вуглецю та менше – інших хімічних елементів, у зв'язку з чим прирівнюють їхній вплив до відповідної кількості (еквіваленту) вуглецю.
Ці сталі повинні відповідати одній або декільком з наступних умов: розтягування та відскок енергії, глибина затвердіння або поверхнева твердість у високих, загартованих та відштовхуваних або поверхнево траншейних, неметалевих включеннях. Якісні леговані сталі - це сталі, котрим потрібні легуючі елементи задля досягнення заданих характеристик. Спеціальні леговані сталі характеризуються строгою перевіркою хімічного складу, спеціальними умовами виготовлення та контролю, які забезпечують чудові характеристики у вузьких межах контролю.
2.3.2.1 Теоретична оцінка зварюваності
Така оцінка складає основі фактичного хімічного складу сталі за даними сертифіката виробника.
Чинний стандарт на прокат для будівельних сталевих конструкційГОСТ 27772-88, відповідно до якого вуглецевий еквівалент З е, %, визначають за формулою
де C, Mn, Si, Cr, Ni, Cu, V, P– масові частки вуглецю, марганцю, кремнію, хрому, нікелю, міді, ванадію та фосфору, %.
Початковий символ для деталей із сталевої сталі. Нелеговані сталі із середнім вмістом марганцю. Послідовність символів повинна бути в порядку зменшення вмісту легуючих елементів, які вони представляють. Якщо значення вмісту ідентичні для двох або більше елементів, відповідні символи.
Кожне число є середнім змістом кожного зазначеного елемента, виражене у відсотках, помножене на відповідний коефіцієнт, показаний у таблиці 2, і округлений до найближчого цілого числа. Числа для різних елементів поділяються розділовими лініями.
Залежно від вуглецевого еквівалента та пов'язаної з цим схильністю до загартування та утворення холодних тріщин, сталі по зварюваності ділять на:
- добре зварюються без утворення гартових структур та тріщин у широкому діапазоні режимів, товщин та конструктивних форм;
Кожне число є середнім змістом кожного зазначеного елемента, виражене у відсотках, округлене до найближчого цілого числа. Елементами сплаву є ті хімічні елементи, які вводяться в структуру сталей для зміни структури та властивостей останніх. В результаті сталі, що містять легуючі елементи, називаються легованими сталями. Таким чином, якщо вміст кремнію перевищує 0, 4% або 0, 8% марганцю, вони вважаються легуючими елементами.
- задовільно зварювані, мало схильні до утворення холодних тріщин при правильному доборі режимів зварювання, у ряді випадків потрібний підігрів;
- сталі, що зварюються обмежено, схильні до тріщиноутворення, можливість зміни опірності утворенню тріщин за рахунок режимів зварювання дуже обмежена, потрібно підігрів;
Однак концентрація легуючих елементів може бути дуже малою. Ці властивості забезпечуються як легуванням, а й термообробкою, що дозволяє отримати оптимальну структуру сплаву. Сплави стали дорожчими, ніж вуглецеві сталі, тому раціонально використовувати їх без термообробки.
Елементи легування можна розділити на дві основні групи: гамма-гени - ті, які збільшують γ-домен і дозволяють отримувати легований аустеніт при кімнатній температурі, і в цьому випадку їх називають аустенітними сталями. Альфа-гени - ті, які збільшують домен α і дозволяють отримати феритові ферити, феритові сталі. Якщо сталевий сплав включає комбінацію гамма-генів та альфа-генів, то сталі також міститимуть леговані аустенітні та феритові ферито-аустенітні сталі.
- сталі, що погано зварюються, дуже схильні до загартування і тріщин, вимагають при зварюванні підігріву, спеціальних технологічних прийомів зварювання і термообробки.
Цей метод використовують найчастіше розробки технології зварювання під час виготовлення конструкцій. Остаточна оцінка зварюваності може бути надана після проведення рядів випробувань (металографічних, механічних тощо), що проводяться на зразках (експериментальні випробування) відповідно до рекомендацій ГОСТ, ДСТУ, ДБН, ТУ тощо.
У більшості конструкційних сталей основним структурним компонентом при робочій температурі є ферит, який відбувається зі швидкістю прибл. 90%. Тому властивості сталей значною мірою залежить від властивостей легованого фериту. Основні легуючі елементи підвищують твердість фериту. Хром і особливо нікель практично не зменшують міцність сталі. Нікель знижує поріг в'язко-тендітного переходу. Крім того, нікель, хром, марганець та деякі інші елементи, які розчиняються в аустеніті, підвищують його стабільність при охолодженні, тим самим підвищуючи калібрувальність сталі.
По зварюваності стали поділяють чотирма групи: перша група - добре зварюються; друга група - що задовільно зварюються; третя група - що обмежено зварюються; четверта група - погано зварюються.
Основні ознаки, що характеризують зварюваність сталей - схильність до утворення тріщин і механічні властивості зварного з'єднання.
Найбільш ефективними елементами щодо цього є нікель і хром, одночасно вводячи їх у сталеву структуру, тобто шляхом комплексного легування. Саме тому нікель та хром є основними легуючими елементами сталі – збільшуючи калібр, опір та міцність. Карбіди в сплавних сталях Елементи карбюрування - це ті елементи, які мають більш високу спорідненість до вуглецю, ніж залізо. Чим стійкіший карбід, тим більше аустеніт розчинить його, і він буде запеклим для одужання.
Вони мають набагато більшу стійкість і розчиняються при набагато більш високих температурах нагріву. Зі збільшенням дисперсії вуглецю збільшується твердість та міцність сталі. Класифікація легованих сталей Критерії класифікації для легованих сталей: після структури в стані рівноваги після структури, отриманої після охолодження повітря, кількістю легуючого елемента і за призначенням.
До першої групивідносяться сталі, зварювання яких може бути виконане за звичайною технологією, тобто. без підігріву до зварювання та в процесі зварювання та без подальшої термообробки. Однак застосування термообробки для зняття внутрішньої напруги не виключається.
До другої групивідносять переважно сталі, при зварюванні яких у нормальних виробничих умовах тріщин не утворюється. У цю ж групу входять сталі, які для попередження утворення тріщин потребують попереднього нагрівання, а також попередньої і подальшої термообробки.
Прості вуглецеві сталі можуть бути лише у трьох верхніх класах, а сплави – у всіх шести класах. Відповідно до структури, отриманої після охолодження на повітрі, перлітні сталі з низьким вмістом легуючих елементів і низька стабільність аустенітів, що підстилають, мартенситних сталей із середнім вмістом легування і високою аустенітною стабільністю, аустенітні сталі з високим вмістом легуючих елементів і аустенітної структури. Після кількості легуючого елемента: слабо легованого, що містить до 2,5% легуючих елементів; леговані середовища, що містять від 2,5 до 10% легуючих елементів; високолегованих, що містять понад 10% легуючих елементів.
До третьої групивідносять сталі, схильні у звичайних умовах зварювання до утворення тріщин. При зварюванні їх попередньо піддають термообробці та підігрівають. Крім того, більшість сталей, що входять до цієї групи, піддають обробці після зварювання.
До четвертої групивідносять сталі, що найбільш важко піддаються зварюванню і схильні до утворення тріщин. Ці сталі зварюються обмежено, тому зварювання їх виконують з обов'язковою попередньою термообробкою, з підігрівом у процесі зварювання та наступною термообробкою.
За призначенням: сталеві інструментальні конструкції зі спеціальними фізико-хімічними властивостями. Магнітні сталі: тверді магнітні сталі, м'які магнітні сталі та немагнітні сталі. Твердий феритовий розчин. Перлітно-механічна суміш. Аустеніт-твердий розчин. Ледебуріта-механічна суміш. Перетворювальна установка, що використовується для виробництва сталі. Кольорові метали та його сплави мають їм характерний колір, який ми можемо, очевидно, передбачити як метал чи сплав, хоча ми можемо точно визначити його.
Ще складніше здогадатися, що у нас у чорному металі. Вони, крім деяких, наприклад, з нержавіючої сталі, виглядають однаково, темно-сірі. Існує кілька способів виявлення темних металів. Перший та основний спосіб, яким країна чи фірма експортує металопродукцію, додає документи, що описують їхній продукт. У Литві немає металургійної промисловості, тому ми не маємо власних стандартів маркування литовських металів. Країни, з яких ми купуємо металеві заготівлі або роботи разом із товарами, надаємо описові документи чи каталоги, що містять усю необхідну інформацію.
Вуглецеві, низько- і середньолеговані сталі, що добре зварюються. Умови зварювання є нормальними. Литі деталі з великим обсягом наплавленого металу рекомендується варити з проміжною термообробкою (відпал або високу відпустку за режимом термообробки для цієї сталі). Для конструкцій, що працюють під статичним навантаженням, термообробку після зварювання не роблять.
Той самий метал, вироблений іншій країні, позначений по-різному. Вуглецева сталь ділиться на три групи: м'яка та тверда. М'яка сталь має від 0, 1 до 0, 3 відсотка вуглецю. Він виготовляє дріт, цвяхи, гвинти, заклепки і використовується в куванні. Середня твердість сталі становить від 0,4 до 0,6 відсотка вуглецю. Він виконаний із залізничних рейок, коліс вагонів, гайкових ключів, деяких слюсарних інструментів тощо. тверда сталь має від 0,7 до 1,3 відсотка вуглецю. З нього виготовляються металообробні інструменти: свердла, файли, різьбові та шуруповерти, металеві пиляльні диски тощо. у деяких країнах частка вуглецевої сталіу загальній та високій якості.
Для відповідальних конструкцій, що працюють під динамічними навантаженнями або за високої температури, термообробка проводиться відповідно до технічних умов. Деталі з великим обсягом наплавленого металу підлягають відпалу або високій відпустці.
При зварюванні електродами Е42, Е42А, Е50, Е50А, Е55 (ГОСТ 9467 - 75) зварне з'єднання обробляють нормальним різальним інструментом.
Останнє, крім вуглецю, має невелику кількість інших домішок та менш шкідливих домішок. Він чистий та має невелику кількість інших металевих домішок. Чи не вуглець є легованою сталлю. У них більше домішок в інших матеріалах, що покращують їх властивості. Найбільш важливими є нікель, хром, вольфрам, молібден, марганець та кремній. Кількість та відсоток цих домішок залежить від якості виробленої сталі. Він поділений на леговану конструкційну сталь, З якої виготовляються машинні вали, подушки, шестерні, пружини, пружини і т.д.; легована інструментальна сталь, з якої виробляються дрилі, земснаряди, компенсаційні шви, файлові млина тощо. та високошвидкісний вольфрам, кобальт, ванадій тощо.
Зварюваність сталей за марками наведена у табл. 1.
Вуглецеві, низько- і середньо-леговані сталі, що задовільно зварюються. Термообробка сталі до зварювання різна залежно від марки сталі та конструкції деталей. Для виливків із сталі 30Л та 35Л обов'язковий відпал. Деталі машин з прокату або з поковок, що не мають жорстких контурів, можуть піддаватися зварюванню в термічно обробленому стані (загартування та відпустка).
Зварювання на морозі не допускається. Зварювання деталей з великим обсягом наплавленого металу, а також зварювання підсилювальних вкладишів рекомендується проводити з проміжною термообробкою (відпал або висока відпустка). При заварці дрібних раковин на деталях і елементах з вуглецевої сталі, що містить вуглецю 0,35%, і при неможливості подальшої відпустки деталь, що заварюється, піддають місцевому підігріву.
Таблиця 1. Зварюваність сталей
|
Зварюваність |
||
|
Вуглецеві, низько- або середньолеговані сталі |
||
|
Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, Ст2кп, Ст2пс, СтЗкп, СтЗпс, СтЗсп, Ст4кп, Ст4пс, Ст4сп, Ст1кп, БСт1сп, БСт2кп, БСт2пс, БСт2сп, БСтЗкп, БСтЗпс, БСтЗсп, БСтЗсп, |
||
|
О,8; 10, 15, 20, 25, 15Г, 20Г |
||
|
15Х, 20Х, 20ХГСЛ, 12ХН2, 12Х2Н4А, 15НМ |
||
|
10ХСНД (СХЛ-4) |
||
|
Задовільна |
БСт5сп, БСт5сп, БСт5Гсп |
|
|
12Х2Н4А, 20ХН3А |
||
|
15ХСНД (СХЛ-1, НЛ-2) |
||
|
Обмежена |
Ст6пс, Ст6сп, БСт6пс, БСт6сп |
|
|
35ХМ, З0ХГС, 35СГ, ЗЗХС, 20Х2Н4А |
||
|
40Л, 45Л, 50Л |
||
|
40Г, 45Г, 50Г, 60Г, 65Г, 70Г |
||
|
50ХГ, 50ХГА, 55С2, 55С2А, 65, 75, 85, 60С2, 60С2А |
||
|
У7, У6, У8Г, У9, У10, У11; У12, У13, У7А, У8А, У8ГА, У9А, У10А, У11А, У12А, У13А |
||
|
Леговані сталі |
||
|
0Х20Н14С2 (ЕІ732), Х23Н18 (ЕІ417), ОХ18Н10 (ОХ18Н9, ЕЯ0), Х18Н9Т (1Х18Н9Т, ЕЯ1Т) |
||
|
Задовільна |
9Х14А, 12Х14А |
|
|
Обмежена |
2Х18Н9 (ЕЯ2), Х18Н9 (1Х18Н9, ЕЯ1) |
|
|
Х12, Х12М, Х, 9Х, 7ХЗ, 8ХЗ, 9ХС, 4ХС. Ф, 8ХФ, В1, ЗХ2В8Ф, 4ХВ2С, 5ХВ2С, ХВГ, 9ХВГ, 6ХВГ, 5ХНВ, ХВ5, 5ХГМ, 6ХВ2С |
||
Термообробка після зварювання є різною для різних марок сталі.
Для виливків зі сталі 30Л і 35Л при заварці наскрізних тріщин і зварюванні підсилювальних вкладишів обов'язковий відпал або високу відпустку. При заварці дрібних дефектів на вуглецевій сталі, що містить вуглецю більше 0,35%, для поліпшення механічних властивостей та оброблюваності термічну обробку ведуть за режимом для цієї сталі. Для інших сталей, зварених у термічно обробленому стані, обов'язковою є відпустка з нагріванням до температури на 50 - 100°С нижче температури відпустки сталі. Для сталі 27ГС, 20ХГС та інших сталей, схильних до відпускної крихкості, температура відпустки після зварювання повинна бути поза областю температури відпускної крихкості.
Зварні з'єднання, виконані електродами Е42, Е42А, Е50, Е50А, Е55, можна обробляти нормальним різальним інструментом за умови, якщо вміст вуглецю у вуглецевій сталі не перевищує 0,35% і об'єм наплавленого металу не менше 20х20х10 мм.
Метал, наплавлений електродами ЦЛ-2, ЦЛ-4 (ГОСТ 10052 – 62), обробляють твердосплавним інструментом.
Вуглецеві низько- і середньолеговані сталі, що обмежено зварюються.Для виливків із сталі ЛХН2 і 50Л до зварювання обов'язковий відпал незалежно від конфігурації виливки. Дрібні дефекти допускається заварювати у термічно обробленому стані виливки. Для деталей машин з прокату або з поковок, що не мають особливо жорстких контурів та жорстких вузлів, допускається заварювання в термічно обробленому стані (загартування та відпустка).
Тепловий режим зварювання наступний. Без попереднього підігріву можна зварювати у випадках, коли зварні з'єднання не мають жорстких контурів, товщина металу не більше 15 мм, температура навколишнього повітря не нижче 5°С, а зварні з'єднання мають допоміжний характер. В інших випадках обов'язковий попередній підігрів до температури 200°С.
Термообробка після зварювання має такі особливості.
При заварці великих дефектів на деталях із сталі ЛХН2 потрібна термообробка за режимом для цієї сталі. Після заварювання дрібних дефектів у термічно обробленому виливку обов'язково повторна відпустка по режиму для цієї сталі. Для будь-якої іншої сталі аналізованої групи, звареної в термічно обробленому стані, обов'язковий відпустку для зняття напруги з нагріванням до температури на 50 - 100°С нижче температури відпустки сталі. Для сталі 30ХГСА та інших сталей, схильних до відпускної крихкості, температура відпустки після зварювання повинна бути поза відпускною крихкістю.
При зварюванні електродами Е42, Е42А, Е50, Е50А, Е55 зварні з'єднання обробляються легко, якщо деталь піддана відпустці при температурі не нижче 550 - 650°С.
Вуглецеві низько- і середньолеговані сталі, що погано зварюються.Сталь перед зварюванням має бути відпалена. Незалежно від товщини елементів, що зварюються, і типу зварного з'єднання сталь необхідно попередньо підігрівати до температури не нижче 200°С.
Термообробку після зварювання проводять за спеціальною інструкцією залежно від марки сталі та її призначення.
Механічна обробка зварного з'єднання можлива лише після відпалу або високої відпустки.
Леговані сталі, що добре зварюються.Термообробку до зварювання не роблять. При значному наклеп метал необхідно загартувати до температури 1050 - 1100°С. Тепловий режим зварювання нормальний. Термообробку після зварювання не роблять.
Механічна обробка зварних з'єднань через високу в'язкість більшості сталей групи, що розглядається, утруднена.
Леговані сталі, що задовільно зварюються.Рекомендується до зварювання застосовувати відпустку при температурі 650 - 710 ° С з охолодженням на повітрі. Тепловий режим зварювання нормальний.
На морозі зварювання не допускається. Попередній підігрів до 150 - 200 ° С необхідний лише при зварюванні елементів з товщиною стінок понад 10 мм.
Після зварювання для зняття напруги та зниження твердості навколошовної зони, особливо при зварюванні електродами зі сталі 0Х14А, рекомендується заварені деталі відпускати при температурі 650 - 710°С з охолодженням деталей на повітрі.
При зварюванні електродами ЦЛ-2 та ЦЛ-4 термообробку проводять за спеціальним режимом. Механічна обробка можлива лише після термообробки за спеціальним режимом.
Леговані сталі, що обмежено зварюються.Термообробка до зварювання для різних сталейрізна. Для сталей 18Х14А і СХНА обов'язковою є відпустка при температурі 650 - 710°С з охолодженням на повітрі. Для інших сталей рекомендується гартування у воді від температури 1050 - 1100°С.
При зварюванні для сталей 18Х14А, СХНА, Х25Н13Л обов'язкове попереднє підігрів до температури 200 - 300°С. Сталі 9Х19НА, Х18Н9 та 2Х18Н9 зварюють у нормальних умовах з мінімальним розігрівом та мінімальною швидкістю охолодження металу шва та зони термічного впливу.
Після зварювання для зняття напруги та зниження твердості металу зварного з'єднання деталі зі сталі 18Х14А повинні піддаватися відпустці при температурі 650 - 710°С. Для сталі 9Х19НА, Х18Н9, 2Х18Н9 обов'язкове загартування у воді від температури 1050-1100°С.
Механічна обробка зварного з'єднання зі сталі 18Х14А можлива лише після відпустки. Для всіх інших сталей оброблюваність зварного з'єднання - на рівні основного металу.
Леговані сталі, що погано зварюються. До зварювання рекомендується відпустка за певними режимами для різних сталей.
Допускається зварювання інструментальної сталі в термічно обробленому стані, якщо шов наплавляється не так на ріжучу частину інструменту.
Для сталі Г13Л обов'язкове загартування. При зварюванні обов'язковий попередній підігрів до 200 - 300 ° С, за винятком сталей РФ18 і Р9, підігрів яких повинен бути не нижче 600 ° С. Зварювання сталі Г1ЗЛ у стані загартування має проводитися без підігріву.
Термообробку після зварювання виконують за спеціальними інструкціями залежно від марки сталі та призначення. Для сталі Г1ЗЛ термообробка не потрібна.
