Низкоуглеродистые и низколегированные стали

Особенности сварки углеродистых и низколегированных сталей.

Особенности сварки сталей.

Эта группа сталей применяется в самых различных отраслях промышленности для изготовления сварных изделий и конструкций, работающих в различных условиях – при воздействии статических, циклических и ударных видов нагружения при температурах от -100 до +540оС.

Классификация сталей рассматриваемой группы возможна по различным признакам, однако, с точки зрения сварки, наиболее рациональна классификация рассматриваемых сталей по температуре эксплуатации с учетом условий внешних силовых воздействий и температуры, при которой должна выполняться сварка.

По температурным условиям эксплуатации сварных конструкций и изделий углеродистые низко- и среднелегированные стали можно разбить на три группы:

Общего назначения;

Хладостойкие;

Теплоустойчивые.

Низкоуглеродистые и низколегированные стали применяют для сварных конструкций, работающих в интервале температур -40..+450оС. Это стали обыкновенного качества марок Ст1 - Ст5, стали качественные углеродистые и низколегированные.

Стали хладостойкие предназначены для работы при температуре ниже -60оС. К этой группе относятся стали 06Н3; 06Н6; 06Н9.

Стали теплоустойчивые: для работ при повышенных температурах до 570С применяют низколегированные стали, в основном хромо-молибденовые и добавлением ванадия: 12МХ; 12Х1М1Ф; 15Х1М1Ф; 12х5М.

Сварка каждой из этих групп сталей имеет свои особенности, связанные с составом сталей, их структурным состоянием перед сваркой, назначением и условиями работы сварных соединений.

1) Эти стали содержат до 0,15-0,18% углерода и имеют очень высокую критическую скорость охлаждения при закалке (это минимальная скорость охлаждения с температуры закалки, при которой весь аустенит превращается в мартенсит). Поэтому охлаждение после сварки не оказывает заметного влияния на твердость в ЗТВ (практически не образуется мартенсит). Как правило, твердость в ЗТВ не превышает НВ 180.

2) Склонность к образованию горячих и холодных трещин практически отсутствует, что позволяет использовать различные виды сварки как при малых, так и при больших значениях погонной энергии.

Низколегированные стали с повышенным содержанием марганца, хрома и др. и содержанием углерода более 0,15 %. У этих сталей вследствие наличия карбидов с более высокой устойчивостью, чем цементит при наличии повышенного количества углерода при сварочном нагреве – образуется неоднородный аустенит (легирующие элементы повышают критические точки). При охлаждении после сварки – происходит образование бейнита, мартенсита и даже остаточного аустенита (уменьшается критическая скорость охлаждения при закалке). В связи с эти есть ограничения при ведении сварочного процесса: быстрый нагрев и быстрое охлаждение при сварке будут способствовать повышению твердости в ЗТВ. Т.Е. сварку лучше выполнять при повышенных погонных энергиях без подогрева или с небольшим подогревом. Особенно важны эти ограничения для деталей большой толщины. В тонких деталях, даже если в ЗТВ образуется некоторое количество мартенсита, количество его невелико и большого влияния не оказывает.

Сварка низколегированных сталей с карбонитридным упрочнением (типа 15Г3АФ)

Принцип легирования этих сталей основан на упрочнении феррита марганцем – тем самым обеспечения высокой прочности. Образованием дисперсной упрочняющей фазы на базе азота, углерода, ванадия м получении очень мелкого зерна за счет ограничивающих его рост нерастворившимися при нагреве нитридами, которые также служат центрами перекристаллизации при охлаждении. Это способствует повышению вязкости и хладостойкости.

Условия обеспечения высокой прочности и вязкости требуют сохранения упрочняющей фазы в дисперсном состоянии и сохранения мелкого зерна. Нагрев при сварке может привести к коагуляции и растворению упрочняющей фазы и росту зерна, тем самым ухудшить свойства стали в этих участках. Для сварки таких сталей наиболее приемлема газоэлектрическая сварка – процесс, позволяющий обеспечить малое тепловое воздействие на ЗТВ. Несколько хуже ручная дуговая сварка. Электрошлаковая сварка дает наихудшие результаты.

Низколегированные стали в термически улучшенном состоянии – после закалки и высокого отпуска при температурах 550-670оС (10ХСНД; 17ГС; 16Г2АФ). Сварка этих сталей осложнена тем, что в зоне ЗТВ, где происходит нагрев до температуры близкой к А1, происходит разупрочнение. Степень разупрочнения тем выше, чем выше прочность стали перед сваркой и тем большая погонная энергия при сварке. Поэтому сварку термически улучшенных сталей лучше проводить с малым пребыванием металла при высокой температуре. Так как полностью не избежать воздействия высокой температуры, чтобы обеспечить однородные свойства сварного соединения – это термообработка после сварки. При термообработке существенно снижается уровень остаточных внутренних напряжений, способных вызвать образование холодных напряжений и уменьшить работоспособность сварного соединения в условиях низких температур. Наиболее эффективно использовать тот вид термообработки, какой подвергалась сталь перед сваркой – закалке с отпуском на ту же температуру.

Рациональной местной термообработкой зоны сварного соединения является высокий отпуск. Этот вид термообработки применим для сварных соединений различных сталей с целью снижения твердости, хрупкости различных участков ЗТВ и остаточных сварочных напряжений.

Среднеуглеродистые, низколегированные стали.

Это стали, которые имеют среднее содержание углерода 0,25-0,45% и могут быть как нелегированными (Ст25, 30, 40, 45), так и низколегированными (30ХГСА, 40Х, 25ХГМ). Эти конструкционные стали применяют, как правило, после закалки с отпуском и реже в нормализованном состоянии. После термообработки достигаются прочность сталей до 1000 МПа и хорошая сопротивляемость циклическим нагрузкам.

Критическая скорость охлаждения среднелегированных сталей при охлаждении при закалке намного ниже, чем у низкоуглеродистых сталей. Поэтому при охлаждении этих сталей даже на воздухе часть аустенита превращается в мартенсит. В условиях нагрева и охлаждения ЗТВ при сварке в наиболее перегретых участках с гомогенным аустенита при повышенной скорости охлаждения может образоваться мартенсит.

Образование мартенсита в ЗТВ – является основной причиной повышения склонности к образованию холодных трещин. Недостатком сварных соединений из этих сталей является также мартенситное строение ЗТВ, которое определяет повышенную хрупкость этих участков.

При сварке таких сталей прежде всего необходимо снизить скорость охлаждения сварочного соединения после сварки и снизить уровень возникающих сварочных напряжений. Для этого прибегают либо к подогреву свариваемого металла, либо к увеличению погонной энергии при сварке (увеличению сварочного тока). Возможна комбинация этих способов.

Поскольку на образование холодных трещин может повлиять попадающий в металл водород, поэтому необходимо соблюдать меры предосторожности против попадания в зону сварки влаги. Дл я этого следует тщательно сушить сварочные материалы и очищать перед сваркой кромки свариваемого изделия.

Целесообразна также термообработка (высокий отпуск), позволяющая одновременно привести к распаду мартенситу и к снижению остаточных сварочных напряжений. Термообработка сварных соединений из таких сталей необходима сразу же после завершения сварки, чтобы свести к минимуму время, за которое может развиться разрушение.

Таким образом, условия сварки среднеуглеродистых и среднелегированных сталей зависят от многих факторов: состав стали, жесткость конструкции, толщина металла. Стали данной группы относятся к числу наиболее трудносвариваемых.

Дата добавления: 2014-01-07