Классификация сталей по свариваемости
При оценке свариваемости роль химического состава стали является превалирующей. По этому показателю в первом приближении проводят оценку свариваемости. Влияние основных легирующих примесей на свариваемость сталей можно описать следующим образом.
Углерод — одна из наиболее важных примесей, определяющих прочность, пластичность, закаливаемость и другие важные характеристики стали. Содержание углерода в конструкционных сталях до 0,25 % не снижает свариваемости. Более высокое содержание приводит к образованию закалочных структур в металле ЗТВ и появлению трещин.
Сера и фосфор — вредные примеси. Повышенное содержание серы приводит к образованию горячих трещин, а фосфора вызывает хладноломкость. Поэтому содержание серы и фосфора в низкоуглеродистых сталях ограничивают соответственно до 0,05 и 0,04 %.
Кремний присутствует в стали как примесь в количестве до 0,3 % в качестве раскислителя. При таком содержании он не ухудшает свариваемость сталей. В качестве легирующего элемента при содержании его в стали до 0,8-1 % (особенно до 1,5 %) возможно образование тугоплавких оксидов кремния, ухудшающих свариваемость.
Марганец при содержании в стали до 1,0 % не затрудняет процесс сварки. При сварке сталей, содержащих марганец в количестве 1,8-2,5 %, возможно появление закалочных структур в металле ЗТВ и, следовательно, трещин.
Хром в низкоуглеродистых сталях ограничивается как примесь в количестве до 0,3 %. В низколегированных сталях возможно содержание хрома в пределах 0,7-3,5 %. В легированных сталях его содержание колеблется от 12 до 18 %, а в высоколегированных сталях достигает 35 %. При сварке хром образует карбиды, ухудшающие коррозионную стойкость стали. Хром способствует образованию тугоплавких оксидов, затрудняющих процесс сварки.
Никель аналогично хрому содержится в низкоуглеродистых сталях в количестве до 0,3 %. В низколегированных сталях его содержание возрастает до 5, а в высоколегированных — до 35 %. В сплавах на никелевой основе его содержание является превалирующим. Никель увеличивает прочностные и пластические свойства стали, оказывает положительное влияние на свариваемость.
Ванадий в легированных сталях содержится в количестве 0,2- 0,8 %. Он повышает вязкость и пластичность стали, улучшает ее структуру, способствует повышению прокаливаемости.
Молибден в сталях ограничивается 0,8 %. При таком содержании он положительно влияет на прочностные показатели сталей и измельчает ее структуру. Однако при сварке он выгорает и способствует образованию трещин в наплавленном металле.
Титан и ниобий в коррозионностойких и жаропрочных сталях содержатся в количестве до 1 %. Они снижают чувствительность стали к межкристаллитной коррозии, вместе с тем ниобий в сталях типа 18-8 способствует образованию горячих трещин.
Медь содержится в сталях как примесь (в количестве до 0,3 % включительно), как добавка в низколегированных сталях (0,15 до 0,5 %) и как легирующий элемент (до 0,8-1 %). Она повышает коррозионные свойства стали, не ухудшая свариваемости.
При оценке влияния химического состава на свариваемость стали, кроме содержания углерода, учитывается также содержание других легирующих элементов, повышающих склонность стали к закалке. Это достигается путем пересчета содержания каждого легирующего элемента стали в эквиваленте по действию на ее закаливаемость с использованием переводных коэффициентов, определенных экспериментально. Суммарное содержание в стали углерода и пересчитанных эквивалентных ему количеств легирующих элементов называется углеродным эквивалентом. Для его расчета существует ряд формул, составленных по различным методикам, которые позволяют оценить влияние химического состава низколегированных сталей на их свариваемость:
Сэкв = с + Мп/6 + Сг/5 + Мо/5 + V/5 + Ni/15 + Cu/15 (метод МИС), | Сэкв = С + Мп/6 + Si/24 + Ni/40 + Сг/5 + Мо/4 (японский метод),
[С]* = С + Мп/9 + Сг/9 + Ni/18 + 7Мо/90 (метод Сефериана),
где цифры указывают содержание в стали в массовых процентах соответствующих элементов.
Каждая из этих формул приемлема лишь для определенной группы сталей, однако значение углеродного эквивалента может быть использовано при решении практических вопросов, связанных с разработкой технологии сварки. Достаточно часто расчеты химического углеродного эквивалента для углеродистых и низколегированных конструкционных сталей перлитного класса выполняются по формуле Сефериана.
По свариваемости стали условно делят на четыре группы: хорошо сваривающиеся, удовлетворительно сваривающиеся, ограниченно сваривающиеся, плохо сваривающиеся (табл. 1.1).
К первой группе относят наиболее распространенные марки низкоуглеродистых и легированных сталей ([С]^ < 0,38), сварка которых может быть выполнена по обычной технологии, т. е. без подогревадо сварки и в процессе сварки, а также без последующей термообработки. Литые детали с большим объемом наплавленного металла рекомендуется сваривать с промежуточной термообработкой. Для конструкций, работающих в условиях статических на-
грузок, термообработку после сварки не производят. Для ответственных конструкций, работающих при динамических нагрузках или высоких температурах, термообработка рекомендуется.
Таблица 1.1. Классификация сталей по свариваемости
|
Окончание табл. 1.1
*ДСТУ 2651-94 (ГОСТ 380-94). ** В Украине отменен. |
Ко второй группе относят углеродистые и легированные стали ([С]* - 0,39*0,45), при сварке которых в нормальных условиях производства трещин не образуется. В эту группу входят стали, которые для предупреждения образования трещин необходимо предварительно нагревать, а также подвергать последующей термообработке. Термообработка до сварки различная и зависит от марки стали и конструкции детали. Для отливок из стали ЗОЛ обязателен отжиг. Детали машин из проката или поковок, не имеющих жестких контуров, можно сваривать в термически обработанном состоянии (закалка и отпуск). Сварка при температуре окружающей среды ниже 0 °С не рекомендуется. Сварку деталей с большим объемом наплавляемого металла рекомендуется проводить с промежуточной термообработкой (отжиг или высокий отпуск). В случае, когда невозможен последующий отпуск, заваренную деталь подвергают местному нагреву. Термообработка после сварки разная для различных марок сталей. При заварке мелких дефектов стали, содержащей более 0,35 % углерода, для улучшения механических свойств и обрабатываемости необходима термическая обработка (отжиг или высокий отпуск по режиму для данной стали).
К третьей группе относят углеродистые и легированные стали ([С]лг = 0,46+0,59) перлитного класса, склонные в обычных условиях сварки к образованию трещин. Свариваемость этой группы сталей обеспечивается при использовании специальных технологических мероприятий, заключающихся в их предварительной термообработке и подогреве. Кроме того, большинство изделий из этой группы сталей подвергают термообработке после сварки. Для деталей и отливок из проката или поковок, не имеющих особо жестких контуров и жестких узлов, допускается заварка в термически обработанном состоянии (закалка и отпуск).
Без предварительного подогрева такие стали можно сваривать в случаях, когда соединения не имеют жестких контуров, толщина : металла не более 14 мм, температура окружающей среды не ниже ' +5 °С и свариваемые соединения имеют вспомогательный характер. Во всех остальных случаях обязателен предварительный по - . догрев до температуры 200 °С.
: Термообработка данной группы сталей назначается по режиму,
выбираемому для конкретной стали.
І К четвертой группе относят углеродистые и легированные стали ([С]* > 0,60) перлитного класса, наиболее трудно поддающиеся сварке и склонные к образованию трещин. При сварке этой группы сталей с использованием рациональных технологий не всегда достигаются требуемые эксплуатационные свойства сварных соединений. Эти стали свариваются ограниченно, поэтому их сварку выполняют с обязательной предварительной термообработкой, с подогревом в процессе сварки и последующей термообработкой. Перед сваркой такая сталь должна быть отожжена. Независимо от толщины и типа соединения сталь необходимо предварительно подогреть до температуры не ниже 200 °С. Термообработку изделия после сварки проводят в зависимости от марки стали и ее назначения.
Эксплуатационная надежность и долговечность сварных конструкций из низколегированных теплоустойчивых сталей зависит от предельно допустимой температуры эксплуатации и длительной прочности сварных соединений при этой температуре. Эти показатели определяются системой легирования теплоустойчивых сталей. По системе легирования стали можно разделить на хромомолибденовые, хромомолибденованадиевые и хромомолибденовольфрамовые (табл. 1.2). В этих сталях значение углеродного эквивалента изменяется в широких пределах и оценка свариваемости сталей по его значению нецелесообразна. Расчет температуры предварительного подогрева выполняется для каждой конкретной марки сталей.
Разделение высоколегированных сталей по группам (нержавеющие, кислотостойкие, жаростойкие и жаропрочные) в рамках ГОСТ 5632-72 выполнено условно в соответствии с их основными служебными характеристиками, так как стали жаропрочные и жаростойкие являются одновременно кислотостойкими в определенных агрессивных средах, а кислотостойкие стали обладают одновременно жаропрочностью и жаростойкостью при определенных температурах.
Остановимся на кратких рекомендациях по технологии сварки высоколегированных сталей, которые, как уже отмечалось, разделяются на четыре группы.
Для хорошо сваривающихся высоколегированных сталей термообработку до и после сварки не проводят. При значительном наклепе металл необходимо закалить от 1050-1100 °С. Тепловой режим сварки нормальный. К этой группе сталей можно отнести ряд кислотостойких и жаропрочных сталей с аустенитной и аустенитно-ферритной структурой.
Таблица 1.2. Марки теплоустойчивых и высоколегированных сталей и сплавов на железоникелевой и никелевой основе
|
Продолжение табл. 1.2
|
Окончание табл. 1.2 |
||
Класс |
ГОСТ или ТУ |
Марка стали |
08Х10Н20Т2, 10Х14Г14НЗ, 10Х14Г14Н4Т, 10Х14АГ15, 15Х17АГ14, 07Х21Г7АН5, 03Х2Ш21М4ГБ, 12Х17Г9АН4, 08Х18Г8Н2Т, 15Х18Н12С4ТЮ, 08Х18Н12Т |
||
ТУ 108.11.595-87 |
03Х16Н9М2 |
|
Аустенитно- мартенситны |
ГОСТ 5632-72 |
07Х16Н6, 09Х17Н7Ю, 09Х17Н7ЮТ, 08Х17Н5МЗ, 08Х17Н6Т, 09Х15Н8Ю, 20Х13Н4Г9 |
Ферритно аустенитный |
ГОСТ 5632-72 |
Высокопрочные кислотостойкие 08Х22Н6Т, 12Х21Н5Т, 08Х21Н6 |
ТУ 14-1-1958-77 |
10Х25Н6АТМФ |
|
ГОСТ 977-88 |
12Х25Н5ТМФЛ |
|
ТУ 14-1-1541-75 |
03Х23Н6, 03Х22Н6М2 |
|
Аустенитный |
ГОСТ 5632-72 |
Жаростойкие 20Х23Н13, 10Х23Н18, 20Х23Н18, 08Х20Н14С2, 20Х20Н14С2, 20Х25Н20С2, 12Х25Н16Г7АР, 36Х18Н25С2, 45Х22Н4МЗ, 55Х20Г9АН4 |
Сплавы на железоникелевой и никелевой основе |
ГОСТ 5632-72 |
ХН38ВТ, ХН60Ю, ХН70Ю, ХН78Т |
Аустенитный |
ГОСТ 5632-72 |
Жаропрочные 10Х11Н20ТЗР, 10X11H23T3MP, 08Х16Н13М2Б, 09Х16Н15МЗБ, 08Х15Н24В4ТР, 31Х19Н9МВБТ, 10Х11Н20ТЗР, 37Х12Н8Г8МФБ, 45Х14Н14В2М, 09Х14Н19В2БР, 09Х14Н19В2БР1, 40Х15Н7Г7Ф2МС, 09Х14ІІ16Б |
Сплавы на железоникеле - вой и никелевой основе |
ГОСТ 5632-72 |
ХН35ВТ, ХН35ВТЮ, ХН32Т, ХН38ВТ, ХН80ТБЮ, ХН67МВТЮ |
Для удовлетворительно сваривающихся высоколегированных сталей перед сваркой рекомендуется предварительный отпуск при 650-710 °С с охлаждением на воздухе. Тепловой режим сварки нормальный. При отрицательной температуре сварка не допускается. Предварительный подогрев до 150-200 °С необходим при сварке элементов конструкции с толщиной стенки более 10 мм.
После сварки для снятия напряжений рекомендован отпуск при 650-710 °С с охлаждением на воздухе. К этой группе в первую очередь можно отнести большую часть хромистых и некоторых хромоникелевых сталей.
Для ограниченно сваривающихся высоколегированных сталей термообработка перед сваркой различная (отпуск при 650-710 °С с охлаждением на воздухе или закалка в воде от 1050-1100 °С). При сварке большинства сталей этой группы обязателен предварительный нагрев до 200-300 °С.
После сварки для снятия напряжений и понижения твердости детали сварного соединения подвергают отпуску при 650-710 °С. Для сварки ряда сталей аустенитного класса обязательна закалка в воде от 1050-1100 °С.
Для плохо сваривающихся высоколегированных сталей перед сваркой рекомендован отпуск по определенным режимам для различных сталей.
Для всей группы сталей обязателен предварительный подогрев до 200-300 °С. Сварка стали 110Г13Л в состоянии закалки производится без нагрева. Термообработку после сварки выполняют по специальным инструкциям в зависимости от марки стали и назначения. Для стали 110Г13Л термообработка не требуется.