Электродуговая сварка сталей. Справочник.

Н.И. Каховский, В.Г. Фартушный, К.А. Ющенко

Наукова думка, 1975 г.

Легированные конструкционные стали

Легирующие элементы образуют с железом и другими элементами твердые растворы и химические соединения, свойства которых в значительной мере определяют свойства стали. Основная цель легирования — придание конструкционным сталям высоких механических свойств» повышение стойкости против хрупкого разрушения, а также обеспечение специальных свойств (например, жаропрочности).

По принятой в сварочной технике классификации легированные стали разделяют на низколегированные, среднелегированные и высоколегированные. Если содержание каждого из легирующих элементов не превышает 2%, а суммарное их содержание — 5%, то сталь называется низколегированной. Если содержание каждого из легирующих элементов находится в пределах от 2 до 5%, а суммарное их содержание не превышает 10%, сталь называется среднелегированной. Высоколегированной называется сталь, содержащая не менее 5% одного из легирующих элементов или не менее 10% суммы легирующих элементов.

Твердые растворы легирующих элементов в железе могут быть образованы по типу замещения или внедрения. Такие элементы, как водород, углерод, азот и бор, растворяются в железе и его сплавах по типу внедрения. При этом растворенные элементы располагаются между узлами решетки растворителя. Все прочие элементы растворяются в железе и его сплавах по типу замещения. В этом случае атомы легирующего элемента располагаются в узлах решеток, заменяя собой атомы растворителя.

Влияние легирующих элементов на свойства сталей. Легирующие элементы существенно влияют на степень совершенства кристаллической решетки. Искажение решетки тем больше, чем больше рознятся диаметры атомов растворяющего и растворяющегося элементов. В результате легирования происходит упрочение стали, увеличение ее твердости, изменение ряда физико-химических свойспв. Многочисленными исследованиями, проведенными за два последних десятилетия, было установлено, что упрочение а- и у-растворов происходит при легировании не только за счет изменения параметра кристаллической решетки, но и вследствие различия валентностей растворителя и растворяемого элемента. Однако количественная оценка этого фактора весьма затруднена так как не установлена валентность некоторых элементов.

Углерод повышает прочность, снижает пластичность и вязкость легированной стали; он также повышает чувствительность к перегреву и закаливаемости стали и поэтому оказывает отрицательное влияние на ее свариваемость. Увеличение содержания углерода в стали при обычных условиях сварки способствует образованию трещин в околошовной зоне и шве. В современных низколегированных сталях содержание углерода находится в пределах 0,18—0,25%. В сталях, к свариваемости которых предъявляют повышенные требования, содержание углерода не должно превышать 0,12—0,14%. Низко- и средне-легированные конструкционные стали повышенной прочности, содержащие до 0,45% углерода, сваривают с предварительным подогревом, подвергая сварные соединения последующей термической обработке. Влияние углерода усиливается при повышенном содержании в стали марганца, хрома и ряда других элементов.

Марганец — наиболее распространенный элемент в легированных сталях. Он повышает прочность стали и мало влияет на ее пластичность. При содержании углерода до 0,20% марганец в количестве до 1,2% повышает ударную вязкость низколегированной стали. Повышение содержания марганца до 1,8% рационально с точки зрения улучшения свойств стали при условии ограничения в ней содержания углерода 0,14%. Если встали содержится более 2% марганца, наблюдается ухудшение ее свойств.

Кремний значительно повышает предел прочности стали и в несколько меньшей степени увеличивает ее предел текучести. Влияние кремния на хладноломкость стали неоднозначно. Так, введение 0,15— 0,35% кремния в кипящую сталь приводит к снижению ее порога хладноломкости на 20—25° (в отсутствие алюминия) и на 40° (при совместном раскислении кремнием и алюминием [13]). С увеличением содержания кремния ухудшается свариваемость стали.

Хром усиливает восприимчивость стали к закалке, особенно при увеличении содержания углерода и других легирующих элементов. Он несколько снижает склонность легированной стали к старению и в небольших количествах способствует некоторому повышению ударной вязкости при комнатной и повышенной температурах [46, 63]. Кроме того, хром, нейтрализуя отрицательное влияние фосфора на ударную вязкость стали, уменьшает ее хладноломкость. При низком содержании углерода и в присутствии марганца и кремния хром (при содержании до 1%) не ухудшает свариваемости стали. Влияние никеля на свойства стали неоднозначно, В ферритных и низкоуглеродистых сталях никель повышает запас вязкости, причем тем сильнее, чем выше его содержание и чем ниже содержание углерода. При этом уменьшается порог хладноломкости стали. Имеются данные [11, 14, 63], что при повышении содержания углерода, а также увеличении суммарного содержания легирующих элементов в стали благоприятное влияние никеля быстро нивелируется и даже сменяется отрицательным. В количествах, встречающихся при легировании низколегированных сталей, никель мало влияет на свариваемость последних. Несмотря на положительное влияние никеля на свойства стали, в целом ряде случаев расход его стремятся ограничить из-за дефицитности.

Медь (до 0,5%) вводят в состав некоторых низколегированных сталей для повышения стойкости против коррозии. В таком количестве она не оказывает существенного влияния на свариваемость стали. Как и никель, медь является дефицитным металлом. Молибден в значительной степени влияет на свойства сталей, упрочняя ферритную фазу. Его эффективность понижается с увеличением суммарного содержания легирующих элементов. Молибден устраняет отпускную хрупкость стали. Оптимальное его содержание в конструкционных сталях находится в пределах 0,20—0,45%, а дальнейшее увеличение может привести к охрупчиванию стали [21, 65].

Государственным стандартом предусмотрено специальное буквенное обозначение легирующих элементов (табл. 1,7) с указанием среднего содержания этого элемента. Первые цифры марок стали указывают среднее содержание в ней углерода (в сотых долях процента). Цифра, стоящая после буквы, указывает среднее содержание соответствующего элемента (в процентах). Если после буквы цифра отсутствует, значит данного элемента содержится около 1%. Буква А, стоящая в конце марки легированной стали, свидетельствует об ограничении содержания серы и фосфора (в отличие от маркировки высоколегированных сталей, где буквой А обозначают повышенное содержание азота). В табл. I. 8, 1.9 приведены химический состав и механические свойства низколегированных, а в табл. 1.10 — химический состав легированных конструкционных сталей.

Металлургические особенности сварки покрытыми электродами

При сварке толстопокрытыми электродами защита жидкого металла от воздуха обеспечивается за счет шлако- и газообразующих компонентов покрытия. К шлакообразующим относятся полевой шпат, мрамор, глинозем, титановый концентрат, песок, плавиковый шпат, гематит, двуокись титана; к газообразующим — мрамор, декстрин или крахмал, пищевая мука, целлюлоза к другие органические вещества.

Кроме того, в покрытия входят раскислители, иногда легирующие элементы, а также ионизирующие и вяжущие компоненты. В качестве раскислителей используют ферросилиций, ферромарганец, ферротитан, алюминиевый порошок.

Для легирования или делегирования металла шва с целью придания ему соответствующих свойств в покрытия электродов вводят элементы Cr, Ni, Mo, Nb и др. Такая необходимость возникает в случае, если в электродной проволоке отсутствует тот или иной легирующий элемент или его количество в ней недостаточно.

К ионизирующим веществам относятся поташ, полевой шпат, гранит; к связующим — жидкое стекло.

В зависимости от вида основного защитного компонента (компонентов) электродные покрытия в соответствии с ГОСТом 9467—60 делят на следующие группы.

Рудно-кислые покрытия (Р), состоящие из окислов железа, марганца, титана и кремния, представляющие шлаковую основу. В качестве газообразующих чаще вводят крахмал или декстрин, которые при нагревании и плавлении электрода образуют газы. Раскисление металла осуществляется путем введения в покрытие ферромарганца. Такие покрытия имеют, например, электроды марок ОММ-5, ЦМ-7, МЭЗ-04.

Фтористо-кальциевые покрытия (Ф), основу которых составляют карбонат кальция (мрамор) и плавиковый шпат. Для раскисления используют ферротитан, ферромарганец, ферросилиций. Наиболее характерную группу электродов с такими покрытиями представляют электроды типа УОНИ-13, применяемые для сварки малоуглеродистых и легированных конструкционных сталей, а также большое количество электродов, применяемых для сварки высоколегированных сталей, в том числе с покрытиями, отличающимися малым отношением количеств мрамора

Глава IV. ДЕФЕКТЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЙ

В СВАРНЫХ ШВАХ И СОЕДИНЕНИЯХ

К дефектам металлургического происхождения в сварных соединениях относятся горячие и холодные трещины, газовые пузыри (поры) и неметаллические включения. Поры и неметаллические включения в процессе сварки могут образовываться только в металле сварных швов, а трещины — как в сварных швах, так и в околошовной зоне свариваемого (основного) металла, чаще в участке, непосредственно примыкающем к шву.

Образование всех рассматриваемых дефектов зависит не от квалификации сварщика, а главным образом от структуры свариваемой стали, ее химического состава и толщины, метода и режима сварки, а также от состава сварочных материалов (присадочной проволоки, флюсов, защитных газов, электродов и их покрытий).

Эти дефекты в той или иной мере снижают работоспособность и эксплуатационную надежность сварного узла или изделия в целом, поэтому анализу причин, условий их образования и мерам их предотвращения уделяется большое внимание.

Образование трещин, пор и неметаллических включений в сварных швах тесно связано с характером кристаллизации металла сварочной ванны, развитием в нем зональной и дендритной химической, а также физической неоднородности и, в конечном счете, с образованием той или иной микроструктуры. Поэтому в первую очередь кратко остановимся на существующих представлениях о механизме и особенностях кристаллизации металла сварочной ванны.

IV.1. Кристаллизация металла сварочной ванны

и его химическая и физическая неоднородность

Условия кристаллизации металла сварных швов значительно отличаются от условий кристаллизации металла в отливках и слитках. Характерными особенностями кристаллизации металла шва являются: а) сравнительно малый объем жидкого металла сварочной ванны, его высокая температура и интенсивное охлаждение; б) наличие на дне, по бокам и в хвостовой части сварочной ванны готовых центров кристаллизации в виде крупных полуоплавленньгх зерен основного металла, выросших вследствие воздействия высокой температуры дуги; в) одновременные нагрев металла передней части сварочной ванны перемещающейся дугой и охлаждение хвостовой ее части со стороны твердого металла, что обусловливает прямую зависимость скорости кристаллизации ванны от скорости сварки; г) зависимость направленности кристаллизации металла сварочной ванны от формы криволинейной поверхности раздела расплавленного и твердого металлов (т. е. от формы провара), что в свою очередь зависит от режима сварки; д) замедленное охлаждение верхней части сварочной ванны при сварке под флюсом и в некоторой степени при сварке толстопокрытыми электродами; е) воздействие на кристаллизую-

щийся и остывающий (затвердевший) металл более значительных собственных (сварочных) поперечных и продольных напряжений.

Некоторые из этих особенностей являются благоприятными, а некоторые — отрицательными с точки зрения структуры и свойств металла шва. Так, например, в противоположность слиткам и отливкам, сварные швы вследствие большей скорости кристаллизации имеют более тонкую структуру (мельче дендриты и кристаллиты) и, что весьма важно, отличаются меньшей зональной и внутрикристаллитной (дендритной) ликвацией (химической неоднородностью). Благодаря этому, а также вследствие меньшего содержания газов и вредных примесей сварные швы в большинстве случаев обладают более высокими механическими свойствами, чем металл отливок и слитков такого же состава.

Наряду с этим, из-за ряда специфических условий сварки, в частности из-за воздействия сварочных напряжений, не всегда удается получить качественные швы без дефектов металлургического происхождения (например, трещин), не прибегая к специальному легированию наплавленного металла, а иногда и к специальным приемам сварки. С особыми трудностями приходится сталкиваться при сварке ряда сталей, когда необходимо обеспечить свойства литого и нетермообработанного металла шва, равные или близкие к свойствам основного катаного и термообра-ботанного металла. В обоих этих случаях, наряду с оптимальным химическим составом, характер кристаллизации металла шва и связанные с этим та или иная его структура и химическая дендритная неоднородность играют значительную роль в получении швов, отвечающих предъявляемым требованиям.

На рис. IV. 1 представлена схема плавильного пространства, кристаллизующейся сварочной ванны и распределения температур впереди и позади дуги при сварке под флюсом. По мере перемещения электрической дуги металл сварочной ванны в ее хвостовой части и по бокам быстро охлаждается благодаря отводу тепла в основной металл и при достижении температуры плавления (точнее, температуры кристаллизации) затвердевает (кристаллизуется). Фронт кристаллизации продвигается вслед за перемещающейся дугой с кратковременными остановками, обусловленными периодичностью охлаждения. Кристаллы растут в направлении, обратном криволинейной поверхности теплоотво-да, разделяющей нерасплавленный основной металл и жидкий металл ванны. Периодичность процесса кристаллизации, по мнению большинства исследователей, обусловлена тем, что после затвердевания первого слоя охлаждение жидкого металла на некоторое время задерживается в связи с выделением скрытой теплоты плавления. Непрекращающийся отвод тепла в глубь основного металла обусловливает кристаллизацию второго слоя и т. д. В связи с этим в шве обнаруживаются слои кристаллизации (выявляемые специальным травлением), имеющие поверхность, соответствующую поверхности теплоотвода. Толщина каждого кристаллизационного слоя не превышает десятых долей миллиметра и находится в прямой зависимости от размера сварочной ванны и в обратной зависимости от скорости теплоотвода.

Сварные швы имеют транскристаллитную (направленную) макроструктуру. Столбчатые кристаллиты каждого последующего слоя кристаллизации и каждого последующего валика шва при многопроходной (многослойной) сварке являются продолжением кристаллитов нижележащего слоя.