/
Author: Моисеенко В.П.
Tags: технология обработки без снятия стружки в целом: процессы, инструмент, оборудование и приспособления сырье материалы материаловедение отдельные машиностроительные и металлообрабатывающие процессы и производства сварка машиностроение сварочное производство
ISBN: 978-5-222-14967-6
Year: 2009
Text
Высшее образование
В.П. Моисеенко
МАТЕРИАЛЫ
И ИХ ПОВЕДЕНИЕ
ПРИ СВАРКЕ
Учебное пособие
Допущено У МО ВУЗов по университетскому
политехническому образованию в качестве учебного
пособия для студентов, обучающихся по направлению
651400 «Машиностроительные технологии и оборудование»
по специальности 150202 «Оборудование и технология
сварочного производства»
Научно-техническая
БИБЛИОТЕКА Т1ГУ
Vo
Ростов-на-Дону
«Феникс»
2009
УДК 621.791.7(075.8)
ББК 30.3+34.64я73
КТК 204
М74
Рецензенты:
д-р техн, наук, проф. РГУПС Н. Г. Дюргеров,
Кафедра «Оборудование и технология сварочною
производства» РГЛСХМ
Моисеенко В.П.
М74 Материалы и их поведение при сварке : учеб-
ное пособие / В.П. Моисеенко. — Ростов н/Д : Фе-
никс, 2009. — 300, [ 1] с. ил.: — (Высшее образование).
ISBN 978-5-222-14967-6
Рассмотрены технологические особенности формирования
структуры и свойств черных и цветных конструкционных материа-
лов под термическим и деформационным воздействием на них про-
цесса сварки плавлением Показана взаимосвязь технологической
прочности сварных соединений с исходным фазовым состоянием
свариваемых материалов и степенью изменения их мехзничсских и
специальных свойств при сварке. Это по зволяст pea nt кипа в.и ь раз-
личные подходы к проектированию тсхнолоыш снарки с целью по-
лучения требуемого качества и эксплуатационных характеристик
сварных конструкций. Учебное пособие разработано с учетом тре-
бований подготовки инженера-сварщика международной квалифи-
кации (IWE) в соответствии с руководящим документом 1ЛВ-002-
2000/EWF-409/SY-2 и .может использоваться при изучении курсов
«Теория сварочных процессов» и «Основы сварки плавлением»
Пособие предназначено для студентов вузов по специальности
150202 «Оборудование и технология сварочного прои Июлет вл» По-
собие может быть использовано при проектировщиц и р.ирлботкс
технологических процессов сварки в машиностроении, а ыкже для
экспертной оценки качества сварных соединении
УДК 621.791.7(075.8)
ISBN 978-5-222-14967-6 ББК 30.3+34.64я73
©В.П Моисеенко, 2008
© Оформление, (JOO «Феникс», 200ч
Введение
Требования к основным и сварочным материалам,
применяемым для сварных конструкций, определяют-
ся характером нагружения и воздействием среды эксп-
луатации. Поэтому при выборе материалов для изготов-
ления изделий необходимо учитывать не только их
стандартные (справочные) механические и физико-хи-
мические характеристики, но и те их изменения, кото-
рые происходят под воздействием термодеформацион-
ных процессов, сопутствующих сварке плавлением. При
ном часто основными критериями выбора материалов
для сварных конструкций становятся их технологичес-
кие свойства (свариваемость, чувствительность к скоро-
1ям нагрева и охлаждения, способность к термообра-
ботке, штампуемость и т. д.).
Доминирующая роль сварных конструкций из углеро-
1ис гых и легированных сталей постоянно снижается, ус-
тная место высоколегированным сталям и цветным
i и ивам, обладающим необходимыми механическими и
i пениальными характеристиками.
11 зучение технологической свариваемости таких ма-
териалов, их поведение при термических циклах свар-
ки и в процессе эксплуатации, принципы выбора и кри-
н риальной оценки сварочных технологий являются
«и иовополагаюшими факторами, как при проектирова-
нии ответственных конструкций, так и при разработке
I- чпологии сварки.
Получение теоретических знаний и привитие прак-
И1ЧССКИХ навыков в выборе материалов, разработке и
3
Материалы и их поведение при сварке
применении способов и технологий сварки и послесва-
рочной обработки сварных соединений, отвечающих
различным требованиям эксплуатации, становится за-
дачей исключительной важности при подготовке специ-
алистов сварочного производства.
Глава 1
КЛАССИФИКАЦИЯ
И ОБОЗНАЧЕНИЕ СТАЛЕЙ
1.1. Основы классификации и принципы
обозначения (маркировки) сталей
Конструкционные (машиностроительные) стали клас-
сифицируют по химическому составу, качеству, степени
раскисленности и назначению, а строительные и инст-
рументальные стали и стали с особыми свойствами — по
качеству и назначению
По химическому составу конструкционные стали
классифицируются на углеродистые, свойства которых
определяются содержанием углерода, и легированные,
свойства которых определяются наличием в них кроме
углерода легирующих элементов. В свою очередь, угле-
родистые стали подразделяются на низкоуглеродистые
(0,09 < С < 0,25%), среднеуглеродистые (0,26 < С < 0,45%)
и высокоуглеродистые (С > 0,46%).
По уровню качества их разделяют на стали обыкновен-
ного качества и качественные стали. Уровень качества
определяется содержанием вредных примесей (серы,
фосфора) и способом производства (степенью раскис-
। ним). В сталях обыкновенного качества (S < 0,05% и
Г < 0,04%) примесей больше, чем в качественных ста-
i»ix (S < 0,035% и Р < 0,035%).
5
Материалы и их поведение при сварке
По уровню гарантированных свойств конструкцион-
ные углеродистые стали разделены на 6 групп.
Легированные стали кроме углерода содержат различ-
ные элементы (Cr, Ni, Ti, Si, Мп, Nb, Mo, W, Al и т. п.),
суммарное содержание которых определяет степень ле-
гирования сталей, принадлежность их к определенному
структурному классу, уровень прочности или специаль-
ных свойств. Они разделяются на:
• низколегированные (2,5...4,5% легирующих эле-
ментов);
• среднелегированные (5,0...9,0% легирующих эле-
ментов);
• высоколегированные (более 9,0% легирующих
элементов).
Для этих сталей чаще используется классификация
по назначению и структуре. Как правило, это качествен-
ные стали.
В последние годы находят применение и другие клас-
сификационные признаки сталей: по величине зерна,
видам и режимам прокатки и термообработки и т. д. [1]
В странах Европы и Америки часто используются и
другие классификационные признаки. Это затрудняет
взаимное пользование технической документацией,
справочными данными, мешает кооперации в разработ-
ке и реализации совместных проектов, технологий и т. д.
Ниже приводятся краткие сведения о принципах
обозначения сталей и сплавов в России, других странах.
В России единые требования к составу, качеству и на-
значению, формам поставки полуфабрикатов из сталей
установлены Государственными стандартами (ГОСТа-
ми), в Германии — Немецкими индустриальными нор-
мами (DIN), во Франции — Нормалями Франции (NF),
в США — Американским обществом испытания мате-
риалов (ASTM). В европейских странах установлены
Европейские нормы (EN).
6
Глава 1. Классификация и обозначение сталей
Согласно ГОСТ 380—94 конструкционные стали
обыкновенного качества обозначаются (маркируются)
буквами, символами и цифрами:
I. Символ «Ст» — сокращенное наименование стали.
2. Цифра, следующая за символом, — условный но-
мер марки стали.
3. Символы «кп», «пс» и «сп» обозначают степень
раскисленности стали: кипящая, полуспокойная и
спокойная.
4. Цифра обозначает категорию качества (т. е. нормиру-
емые показатели свойств стали в труппе, от I до 6).
Пример обозначения: СтЗсп5, СтЗпс
Конструкционные углеродистые качественные стали
поставляются по ГОСТ 1050—88 двух групп:
• с нормальным содержанием марганца,
• с повышенным содержанием марганца.
Их обозначают (маркируют) следующим образом:
1. «Сталь» — полное наименование материала.
2. Двузначное число, обозначающее среднее содер-
жание углерода в сотых долях процента.
3. Буква «Г», обозначающая повышенное содержа-
ние марганца.
4. Символы, обозначающие степень раскисления
Пример обозначения: Сталь 05, Сталь 08кп, Сталь 15Г.
Низколегированные и среднелегированные стали постав-
ляются и маркируются по ГОСТ 19281—79, 19282—73 и
по специальным Техническим условиям производителей
(ТУ). Порядок их маркировки следующий:
1. Двузначное число, обозначающее среднее содер-
жание углерода в сотых долях процента.
2 Буква, условно обозначающая название химичес-
кого элемента, являющегося легирующим компо-
нентом.
7
Материалы и их поведение при сварке
3. Цифра за буквой, обозначающая среднее содержа-
ние легирующего элемента в процентах.
4. Буква «А» в конце марки стали, обозначающая по-
вышенный уровень качества, т. е. пониженное со-
держание серы и фосфора (S < 0,035%).
Большая часть низколегированных сталей с целью по-
вышения уровня механических свойств поставляется в
термически обработанном (улучшенном) состоянии. Эта
группа сталей поставляется по ГОСТ 4543—71. Сюда же
относят судостроительные стали (ГОСТ 5521—76) и теп-
лостойкие стали (ГОСТ 5520—79, ГОСТ 20072—74) и др.
Пример обозначения: 09Г2С, 15ХСНД, 12МХ,
16Г2АФ, 30ХМА.
Отдельная группа низко- и среднелегированных ста-
лей для сварных конструкций, поставляемых по ГОСТ
4543—71 термически обрабатывается на высокий уро-
вень прочности. Эта группа сталей получила условное
название высокопрочных.
Пример обозначения: 14ХГ2МР, 30ХГСНА,
42Х2ГСНМА.
Высоколегированные стали и сплавы, часто называ-
емые в литературе специальными, поставляются по ГОСТ
5632—72, ГОСТ 10835—75 и многочисленным ТУ произ-
водителей. В основу их обозначения положен принцип
указания химического состава. Все они относятся к ка-
чественным или особокачественным. Дополнительны-
ми информационными признаками для них является
разделение по назначению (коррозионностойкие, жаро-
стойкие, жаропрочные, хладостойкие и т. п.) и структу-
ре в состоянии поставки (мартенситные, мартенситпо-
ферритные, ферритные, ферритно-аустенитные и
аустенитные).
8
Глава 1. Классификация и обозначение сталей
Пример обозначения: 15X11МФ, 12Х11В2МФ,
08X13, 14Х17Н2, 12Х18Н12Т, 08X17H13M3T, Х20Н80.
Приведем краткую информацию о принципах клас-
сификации и обозначения сталей в других странах.
В Германии по стандарту DIN 1706 обозначение низко-
углеродистых сталей осуществляется по двум принципам.
1. Обозначение стали с помощью только двух цифр
(от 0 до 9).
Первая цифра обозначает способ производства (мар-
теновский, кислородно-конвертерный и т. д.), а вторая
цифра указывает особенности обработки полуфабрика-
та (прокатка, нормализация, улучшение и т. д.).
Пример: 01 — обычная конструкционная низкоуглеро-
дистая сталь, содержащая 0,1—0,3% С. 40 — коррозион-
ностойкая сталь с 2% Ni без Мо и без особых присадок.
2. Обозначение стали с помощью букв и цифр, опре-
деляющих способ плавки, состояние поставки, степень
легирования, нормируемые показатели качества и вид
обработки.
В качестве примера такого обозначения в табл. 1.2
приведена марка низкоуглеродистой неулучшаемой ста-
ли с пределом прочности ав = 420 МПа.
Углеродистые качественные стали по этому стандар-
ту обозначаются (маркируются) буквой «С» с последу-
ющей цифрой, определяющей содержание углерода,
увеличенное в сто раз.
Пример: С35
Углеродистые улучшенные (термообработанные) стали
маркируются буквой «С» с индексом «К» и цифрой, обо-
значающей содержание углерода, увеличенное в сто раз.
Пример: Ск45.
Кодовые числа для легированных сталей приведены
в табл. 1.1.
9
Материалы и их поведение при сварке
Таблица 1.1
Значение кодовых чисел для легированных сталей
№ п/п Легирующий элемент или примесь Кодовое число (на него делится цифра, обозначающая содержание элемента в легированной стали)
1 Cr,Co,Mn,Ni,Si,W 4
2 Al, Be, Mo, Nb.Ti.V, Cu, Pb Ta, Zr 10
3 P, S, N,C,Ce 100
4 В 1000
В Европе, согласно Европейским нормам (EN), за ос-
нову обозначения принимается комбинация букв и цифр,
отражающая важнейшие свойства стали (физические,
химические и технологические признаки). Нормы допус-
кают введение дополнительных характеристик. В конце
обозначения стали требуется простановка символов EU,
однако допускается не проставлять этот символ.
По химическим признакам, согласно EN, стали под-
разделяются на углеродистые, низколегированные и ле-
гированные. Содержание серы и фосфора (уровень ка -
чества) обозначается буквами Y, V, U, Т, R, Q, N, M...Z
от максимальных значений до минимальных.
Из физических признаков стали обозначаются мини-
мально гарантированный предел прочности, предел те-
кучести или оба эти показателя.
Примеры обозначения сталей по EN:
Fe420N — здесь символ Fe420 обозначает сталь с ми-
нимально гарантированным пределом прочности сгв =
= 420 МПа, а буква N — содержание примесей: S < 0,04%
и Р < 0,04%.
Fe420DEU — сталь по прочности аналогична указан-
ной выше, но обозначенная по Европейскому стандар-
ту. Буква «D» указывает, что сталь — свариваемая.
10
Глава 1. Классификация и обозначение сталей
Структура маркировки сталей по DIN: MASt 420.6N
11
Материалы и их поведение при сварке
Окончание табл. 1.2
12
Глава 1. Классификация и обозначение сталей
18NiCrl6 — низколегированная сталь с содержанием
углерода 0,18% и никеля 4% без оговоренного содержа-
ния хрома
X10CrNil808 — легированная сталь с содержанием уг-
лерода 0,1%, хрома 18% и никеля 8%.
Более подробная и систематизированная информа-
ция по обозначению марок сталей и сплавов в различ-
ных странах изложена в работе [2].
Вопросы для самопроверки
I Чем в основном определяются свойства углеродистых
сталей?
2. По каким признакам классифицируются конструк-
ционные стали и стали с особыми свойствами ?
3. Какие стали называют низколегированными ?
4. Как маркируются углеродистые качественные стали ?
5. Как по химическим признакам по EN классифициру-
ются стали ?
6. Как маркируются низколегированные стали ?
7. По какому принципу маркируются высоколегирован-
ные стали ?
8. Что называется сталью ?
9. Чем качественная сталь отличается от стали обык-
новенного качества ?
Глава 2
ОЦЕНКА СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ
И СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Прочностные расчеты сварных элементов и конст-
рукций производятся на основе учета механических
свойств металлов и сплавов. Основными из этих свойств
являются прочность, пластичность, вязкость и твер-
дость. Конструктор, выбирая материал, использует стан-
дартные справочные данные о численных значениях
указанных характеристик или результаты специальных
испытаний материалов. Технолог, назначая методы и
средства изготовления деталей и узлов, обязан учиты-
вать также и технологические свойства выбранных ма-
гериалов (ттампуемость, свариваемость, литейные
свойства и т. и.) или произвести специальные исследо-
вания, определяющие технологичность (пригодность)
того или иного металла для конкретного способа про-
изводства и вида продукции.
Как известно, по характеру воздействия на объект на-
грузки разделяются на статические и динамические,
а температуры эксплуатации условно в технике можно
расчленить на низкие (включая криогенные) (—60...
—250 °C), нормальные (—60...+350 °C), повышенные
(350...500 °C) и высокие (более 500Ч“С). В зависимости
от температуры эксплуатации изменяются стандартные
характеристики материалов, например, прочность, ила
стичность металла, ползучесть и др.
14
Глава 2. Оценка свойств материалов и сварных соединений
Среда эксплуатации и температура могут существен-
но снижать время работы объекта до разрушения.
Условно все среды эксплуатации можно разделить на:
• нормальные, т. е. не ускоряющие процессы разруше-
ния поверхности металла и сварного соединения;
• коррозионные, т. е. ускоряющие процессы разру-
шения металлов и сварных соединений за счет хи-
мического или электрохимического взаимодей-
ствия металла со средой;
• радиационные, т. е. ускоряющие процессы разру-
шения металла и сварных соединений за счет из-
менения их структурного состояния и свойств под
влиянием у-излучения.
Численные значения механических, химических и
физических характеристик сталей и технических спла-
вов определяются проведением испытаний в стандарт-
ных условиях (методика, оборудование, способы вычис-
лений и т. д ). Такие испытания проводятся и для
сварных элементов конструкций. Они входят составной
частью в процесс аттестации всей технологии производ-
ства сварного изделия. При этом возрастают роль и зна-
чение испытаний, проводимых непосредственно при
производстве сварных элементов. Это вызывает необхо-
димость разработки новых методов и средств проведе-
ния испытаний, критериев оценки результатов, их срав-
нимости со стандартными данными. Примером может
служить способ оценки твердости сварного соединения
непосредственно на изделии.
Как указывалось, по характеру прилагаемых нагрузок
во времени различают статические, динамические и ус-
1 июстные испытания.
Статические испытания осуществляют путем плав-
ною и постепенно возрастающего нагружения стандар-
П1ых обращов до их разрушения Сюда относятся испы-
ыния на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, сдвиг
Г
Материалы и их поведение при сварке
или срез. В качестве специальных методов статических
испытаний можно отметить испытание на ползучесть.
Динамические (ударные) испытания определяют спо-
собность материала за счет пластической деформации
поглощать механическую энергию быстро изменяющих-
ся во времени внешних сил. Это дает возможность оце-
нить склонность металла или сварного соединения к
хрупкому или вязкому разрушению.
Усталостные испытания позволяют оценить сопро-
тивляемость разрушению в процессе накопления по-
вреждений в металле или сварном соединении под дей-
ствием знакопеременной или пульсирующей нагрузки
за заданный промежуток времени
Испытания на твердость оценивают сопротивление
деформации металла, сварного соединения или отдель-
ной его зоны на поверхности или по сечению и осуще-
ствляют путем вдавливания в металл специальных стан-
дартных инденторов (наконечников). Косвенно эти
испытания позволяют судить о механических характе-
ристиках объекта испытания, в частности, о величине
сопротивления на разрыв.
Для определения способности материала или сварно-
го соединения выдерживать определенные величины де-
формации без разрушения, вызываемые технологичес-
кой обработкой, проводят испытания, называемые
технологическими пробами.
Методики и оборудование для всех указанных выше
испытаний, отвечающие современному уровню техни-
ки, устанавливаются в каждой стране государственны-
ми стандартами (ГОСТ, DIN, NF, EN и т. д.).
В России действуют более 30 стандартов, охватыва-
ющих методы механических и технологических испыта-
ний различных металлов и сварных соединений. На-
пример, по ГОСТ 1497—84 устанавливаются методы
16
Глава 2. Оценка свойств материалов и сварных соединений
статических испытаний для определения ряда числен-
ных значений механических свойств металлов и спла-
вов при Т= 2(Г*0оС.
Учитывая специфику сварного соединения как еди-
ного целого различных по составу, структуре и свой-
ствам участков металла, для комплексного определения
его механических характеристик предусмотрен ГОСТ
6996—66. Согласно этому стандарту предусмотрено про-
ведение следующих видов испытаний:
I) на статическое (кратковременное) растяжение ме-
талла различных участков сварного соединения и
наплавленного металла;
2) на ударный изгиб металла различных участков
сварного соединения и наплавленного металла;
3) на стойкость против старения металла различных
участков сварного соединения;
4) на твердость различных участков сварного соеди-
нения и наплавленного металла;
5) на статическое растяжение сварного соединения в
целом;
6) на статический изгиб (загиб) сварного соедине-
ния;
7) на ударный изгиб сварного соединения в целом.
Указанные механические характеристики сталей и
сварных соединений, а также иные свойства, определен-
ные по другим стандартам (ползучесть, усталость, дли-
тельная прочность и др.), вводятся в действующую нор-
мативно-техническую документацию (ГОСТы, ТУ, РТМ
и т. п.) для выбора марки основного металла и свароч-
ных материалов при проектировании сварных изделий
и технологии их изготовления.
: Научнаj-cxrK4eclt..JJ(
17 БИБЛИОТЕКА ТУГ'
Материалы и их поведение при сварке
Вопросы для самопроверки
1. Какие механические свойства являются основными
для конструкционных сталей ?
2. Как условно можно классифицировать среду эксплу-
атации по характеру воздействия на объект ?
3. Какие испытания металлов относятся к статичес-
ким?
4. Какое свойство металла определяют динамические
испытания ?
5. Что оценивается испытанием на твердость?
6. Какие виды испытаний сварных соединений предус-
мотрены ГОСТ 6996—66?
Глава 3 -
СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА
МЕТАЛЛОВ
3.1. Основы кристаллического строения
Известно, что все металлы и их сплавы являются кри-
сталлическими веществами На рис. 3 I приведена эле-
ментарная схема кристаллической решетки металла с
указанием ее основных параметров. Известно 14 типов
кристаллических решеток металлов в зависимости о г
возможных вариаций соотношения параметров а. Ь, с,
а, р, у и с учетом расположения атомов (ионов) не толь-
ко в узлах решеток, но и в центрах элементарных ячеек
или в центрах граней [3].
Рис. 3.1. Схема кристаллической решетки металла:
а, Ь, с — линейные параметры решетки, а. Р, у — углы между
плоскостями
19
Материалы и их поведение при свархе
твердые чистые металлы, твердые растворы и химичес-
кие соединения
В твердом состоянии компоненты сплава могут обра-
зовывать: 1) твердые растворы; 2) химические соедине-
ния, 3) механические смеси, т. е. двухфазные структуры,
состоящие из двух или нескольких чистых металлов и
химических соединений.
Различают два основных вида твердых растворов: ра-
створы замещения и внедрения.
Твердые растворы замещения образуются, когда оба
компонента имеют однотипную с близкими значения-
ми параметров кристаллическую решетку и величину
атомных радиусов. В этом случае растворимый компо-
нент размещается в узлах решетки растворителя. Если
атомные радиусы различаются не более чем на 14... 15%,
то образуются неограниченные растворы, если более —
ограниченные. Примером неограниченного раствора
может служить твердый раствор хрома в железе.
В твердых растворах внедрения атомы растворенных
элементов находятся в междоузлиях. Такие растворы об-
разуются, когда атомы растворенного элемента весьма
малы по сравнению с атомами растворителя. Примером
может служить раствор углерода в железе, магния в алю-
минии и т. д. Когда атомы растворителя и растворенного
элемента занимают строго определенные места, то раствор
называется упорядоченным (Cu-Al, Fe-Al). Из-за различия
размеров атомов в твердых растворах происходит искаже-
ние формы кристаллической решетки (рис. 3.3).
Химическое соединение — это фаза, имеющая кристал-
лическую решетку с упорядоченным расположением
атомов, которая отлична от решеток элементов, образу-
ющих это соединение. В этом причина того, что его
свойства значительно отличаются от свойств составля-
ющих его компонентов. Химические соединения име-
22
Глава 3, Строение и свойства металлов
в
Рис. 3.3. Искажения кристаллической решетки в твердых
растворах: а, б — замещения, в — внедрения
ют постоянную температуру плавления и, как правило,
обладают большой твердостью и хрупкостью. Примера-
ми химических соединений могут служить цементит
Fe3C, присутствующий в сталях и чугунах, интерметал-
лид CuAI2, присутствующий в дуралюминах, W2C и т. д.
Механическая смесь — это неоднородная (гетерофаз-
ная) структура сплава, образующаяся из нескольких фаз,
когда при кристаллизации компоненты фазы не способ-
ны к взаимному растворению в твердом состоянии и не
образуют химических соединений. Смеси могут состо-
ять из кристаллов (зерен) чистых компонентов, насы-
щенных твердых растворов или химических соединении.
23
Материалы и их поведение при сварке
3.2. Дефекты кристаллической решетки
металлов
Кристаллические решетки металлов, представленные
на рис. 3.1 и 3.2, являются идеальными схемами. В ре -
альности кристаллическое строение металлов отличает-
ся от идеального тем, что содержит множество дефек-
тов или структурных несовершенств, обусловленных
отсутствием атомов (ионов) в узлах или нарушением
правильного расположения их в кристаллической ре-
шетке. По геометрическим признакам дефекты кристал-
лического строения подразделяются на точечные, ли-
нейные, поверхностные и объемные.
Точечные дефекты структуры весьма малы во всех
трех направлениях, их размеры не превышают несколь-
ких атомных радиусов. К ним относятся вакансии, т. е.
отсутствие атомов (ионов) в узлах решетки, и межузель-
ные атомы, расположенные внутри элементарной ячей-
ки. Они названы соответственно дефектами Шоттки и
Френкеля. Энергетической причиной их возникновения
является локальное изменение температуры кристалла
и реже пластическая его деформация по плоскостям
скольжения. Схематично вакансии и другие дефекты
показаны на рис. 3.4. Образованию вакансий способ-
ствует, например, процесс летрования, когда «примес-
ный» элемент располагается либо в узле решетки, либо
в междоузлии.
Вакансии способны перемещаться, образуя двойные
вакансии, цепочки вакансий, объединяться в группы,
колонии, становясь местом концентрации напряжений и
очагом зарождения трещины при воздействии нагрузок.
Перемещения вакансий удовлетворительно объясня-
ют процессы диффузии, упрочнения и разупрочнения
сплавов. Процесс сварки за счет термического и дефор-
24
Глава 3. Строение и свойства металлов
Рис. 3.4. Дефекты строения: I — вакансия; 2 — примесный атом
замещения; 3 — примесный атом внедрения; 4 — краевая дислока-
ция; 5 — межузельный атом; 6 — поверхностный дефект
мационного воздействия на металл является источни-
ком появления вакансий и межузельных агомов в ре-
шетке.
Линейные дефекты имеют малые размеры в двух из-
мерениях и большую протяженность в третьем измере-
нии. К ним относятся дислокации, а также цепочки ва-
кансий, межузельных и примесных атомов. Дислокации
бывают краевыми, винтовыми и смешанными.
Краевая дислокация (рис. 3.5) представляет собой ме-
стное искажение (несовершенство) кристаллической ре-
шетки, вызванное сдвигом и наличием в ней «лишней»
атомной полуплоскости или экстраплоскости.
Как видно из рис. 3.5, пяти атомам решетки верхне-
го ряда (над плоскостью С) соответствуют четыре атома
нижнего ряда. Над дислокацией атомы в кристалле уп-
лотнены, а под ней раздвинуты. Атомы на краю экстра-
плоскости (линия АА) имеют меньше соседей, чем внут-
ри совершенной решетки.
25
Материалы и их поведение при сварке
Рис. 3.5. Пространственная схема краевой дислокации
при сдвиге
Дислокация, показанная на рис. 3.6. называется вин-
товой. При приложении небольшого касательного уси-
лия винтовая дислокация легко перемешается, при этом
экстра плоскость Q (параллельная вектору сдвига) под
действием касательных усилий может перейти в полную
плоскость. Если дислокация находится выше экстра-
плоскости, то ее называют положительной и обознача-
ют знаком JL (на рис. 3.5 показана положительная дис-
локация), а если ниже — отрицательной и обозначают
знаком Т. Дислокации одинакового знака отталкивают-
ся, разного — притягиваются. Слияние дислокаций раз-
ного знака приводит к их взаимному уничтожению (ан-
нигиляции).
Дислокации образуются в процессе кристаллизации
(в процессе срастания блоков и зерен), при пластичес-
кой деформации металлов и при фазовых превращени-
ях в твердом состоянии.
26
Глава 3. Строение и свойства металлов
Рис. 3.6. Винтовая дислокация
Суммарная длина дислокации, приходящейся на еди-
ницу объема кристалла, называется плотностью дисло-
кации р и рассчитывается по формуле:
17
р=т
[cw]
[cw/]
= [cni J
(3.1)
Теория дислокаций объясняет многие физические
процессы в металлах, в частности, находит решение воп-
рос расхождения между теоретической и реальной проч-
ностью многих металлов (рис. 3.7). Левая часть кривой
соответствует «бсздислокационным» кристаллам метал-
лов (усам), характеризующимся высокой прочностью.
Повышение плотности дислокаций вначале приводит
к существенному снижению прочности из-за облегче-
HI11 процессов сдвига между кристаллами. Однако в
да (ьнейшем прочность возрастает, так как процессы
с пипов тормозятся. Увеличивая или уменьшая плот-
но гь дислокаций, можно в определенной степени уп-
равлять прочностью металла, что является важным для
процессов сварки и термообработки.
27
Материалы и их поведение при сварке
Рис. 3.7. Влияние плотности дислокаций на прочность металла
Поверхностные дефекты представляют собой линии
раздела между отдельными зернами или блоками (суб-
зернами) пол и кристалл и чес кого металла, т. е. по суще-
ству — это зоны постепенного перехода от кристалли-
ческой ориентировки одного кристалла (кристаллита) к
другому, расположенному, как правило, под углом к пер-
вому (см. рис. 3.4, правая часть). Поэтому на границах
различно ориентированных субзсрен атомы расположе-
ны неупорядоченно. Кроме этого на границах концен-
трируются примеси, ликваты и т. п., что еще больше на-
рушает правильность расположения атомов в решетке.
Все это приводит к появлению на границах субзерен
различных видов вакансий или дислокаций, стремящих-
ся притягивать «инородные» атомы, т. е. атомы приме-
сей и легирующих. Это создает условия для упрочнения
металла за счет легирования границ зерен (интерметал-
лидное упрочнение). В то же время границы зерен могут
стать причиной разупрочнения сплавов при длительном
нагреве металла за счет диффузии («ухода») легирующих
элементов из приграничных областей и аннигиляции
дислокаций.
28
t
Глава 3. Строение и свойства металлов
Как указывалось выше, перемещения вакансий удов-
летворительно объясняют процессы диффузии. Напом-
ним, что под диффузией понимают перемещение атомов
в кристаллическом теле на расстояния, превышающие
средние межатомные для данного вещества.
При этом если не происходит изменения концентра-
ции элемента в отдельных объемах, то такой процесс на-
зывают сомодиффузией, а когда это происходит, процесс
называют гетеродиффузией.
Известны четыре механизма диффузии: цикличес-
кий, обменный, вакансионный и межузельный. В ме-
таллах и сплавах диффузия преимущественно осуществ-
ляется по вакансионному механизму, когда один из
атомов, обладающий повышенной энергией, перемеща-
ется на место вакансии, а на его прежнем месте образу-
ется новая вакансия, которую может занять другой атом.
Диффузия элементов с малым атомным радиусом
(С, N, Н) протекает по межузельному механизму [3|.
Количество диффундирующего вещества в единицу
времени зависит от градиента концентрации в направ-
лении, нормальном к поверхности раздела, и пропорци-
онально коэффициенту диффузии.
(3.2)
где de — концентрация элемента; dx — расстояние в
выбранном направлении; D — коэффициент диффузии.
Эта зависимость получила название первого закона
Фика. Если градиент диффузии изменяется во времени,
то процесс описывается вторым законом Фика.
29
Материалы и их поведение при свархе
Коэффициент диффузии D зависит от природы спла-
ва, размеров зерна и особенно заметно от температуры:
е
Р = Рое <3-4>
где Do— предэкспоненциальный множитель, зависящий
от типа кристаллической решетки; R — газовая посто-
янная, кал/моль • °C; Г— температура, °К; Q — энергия
активации, ккал/г-ат.
Энергия активации Q характеризует силу взаимосвя-
зи атомов в кристаллической решетке: чем она выше,
тем больше энергия, необходимая для перехода атома из
одного равновесного положения в решетке в другое,
тоже равновесное.
Многие процессы в металлах и сплавах (кристалли-
зация, фазовые превращения, рекристаллизация, насы-
щение поверхности другими компонентами) носят диф-
фузионный характер.
Процесс сварки, сопровождающийся введением
энергии в соединяемые объемы металла и вызывающий
дополнительное количество дефектов структуры, суще-
ственно влияет на скорости диффузии тех или иных эле-
ментов, приводя к изменениям их концентрации и, зна-
чит, к локальным изменениям свойств отдельных зон
сварного соединения.
В этой связи следует указать, что диффузия, сопро-
вождающаяся фазовыми изменениями, называется ре-
активной. С ее помощью образуются, как правило, зоны
неизменной концентрации элементов — зоны химичес-
ких соединений. В сварном соединении эти зоны не
обязательно располагаются в плоскости контактирова-
ния свариваемых металлов, они сосредоточиваются в
участках с соответствующей концентрацией компонен-
тов при данной температуре.
30
Глава 3. Строение и свойства металлов
Для сварных соединений характерен также вид диф-
фузии, когда процесс перемещения в растворе какого-
либо компонента происходит не в связи с разностью его
концентраций в растворе, а в связи с разницей его тер-
модинамической активности. К примеру, различное
направление диффузии углерода на линии сплавления
разнолегированных сталей. Механизм такого воздей-
ствия легирующих элементов на направление диффузии
углерода состоит в том, что часть из них, имеющих срод-
ство к углероду меньше, чем у железа, не удерживает
углерод около себя, как бы «отталкивает» его, увеличи-
вая термодинамическую активность углерода (Ni, Si).
Другие же элементы обладают большим сродством к
углероду и поэтому стремятся его «закрепить» около
себя, понижая его активность (Мп, Сг, Mo, W, V). Это
обстоятельство позволяет оценивать и прогнозировать
образование структурной неоднородности на границе
сплавления разнолегированных сталей и, в известной
степени, управлять этим процессом за счет использова-
ния соответствующих сварочных материалов или после-
сварочной термообработки.
3.3. Диаграммы состояния металлических
сплавов
Процессы кристаллизации металлических сплавов и
связанные с ними закономерности образования структу-
ры описывают, как известно [1], с помощью диаграмм
состояния или диаграмм фазового равновесия. Диаграм-
ма состояния — это графическое изображение фазового
или структурного состава всех сплавов данной системы,
находящихся в равновесном (неизменном) состоянии
при данной температуре и концентрации компонентов.
31
Материалы и их поведение при сварке
Обычно их строят для двойных, реже тройных и много-
компонентных систем сплавов.
С помощью диаграмм состояния определяют темпе-
ратуры плавления и кристаллизации сплавов, полимор-
фных превращений в сплавах, природу фаз и их коли-
чественное соотношение в системе, что позволяет
судить о механических и технологических свойствах
сплавов. Диаграммы состояния строят для условий рав-
новесия или достаточно близких к ним, т. е. при весьма
малых скоростях нагрева и охлаждения сплавов. В боль-
шинстве случаев сплавы находятся в метастабильном
состоянии, т. е. в таком, когда они обладают ограничен-
ной устойчивостью в данных температурных условиях и
под влиянием внешних воздействий (например, нагре-
ва) переходят в более устойчивые состояния с миниму-
мом свободной энергии системы (например, переход
металла в жидкое состояние при нагреве).
Диаграммы состояния сплавов различаются в зависи-
мости от степени взаимной растворимости компонен-
тов, способности образовывать твердые растворы, хими-
ческие соединения или претерпевать полиморфные
превращения. Представляет особый интерес диаграмма
состояния сплава, один из компонентов которого обла-
дает полиморфными превращениями, вызывающими
скачкообразное изменение растворимости другого ком-
понента в твердом состоянии. Примером такого спла-
ва, имеющего большое практическое значение, являет-
ся сплав железа с углеродом (рис. 3.8).
Основным компонентом сплава железо-углерод (же-
лезо-цементит) является железо. В твердом состоянии
оно имеет три полиморфные модификации — а, 5 и у.
Модификация Fea (ОЦК) устойчива при температурах
ниже 910 °C, a Fes — выше 1392 °C. Модификация Fey
(ГЦК) существует при температурах 910... 1392 °C. Кри-
тическую температуру a <-> у превращения при нагреве
32
Глава 3. Строение и свойства металлов
обозначают Ас3, а при охлаждении Аг3. Критическую тем-
пературу у <-> 5 превращения при Т = 1392 °C обознача-
ют Дс4 Температуру магнитного превращения обознача-
ют как АС2.
Другим компонен гом системы является углерод. В за-
висимости от содержания углерода и значения темпера-
туры в сплаве железо-углерод наблюдаются как одно-
фазные структурные образования — жидкий раствор
углерода в железе, твердые растворы углерода в железе —
феррит и аустенит, химическое соединение железа с уг-
леродом — цементит, так и двухфазные структурные
составляющие — перлит и ледебурит. Их состав, харак-
теристики и свойства изучались в курсе «Материаловеде-
ние» и подробно изложены в литературе [3], а сокращен-
ные названия фаз обозначены на диаграмме (см. рис. 3.8).
Диаграмму Fe-C можно разделить на две части вер-
тикальной линией, проходящей через точку Е. Сплавы,
расположенные слева от точки Е, характеризуются тем,
что при затвердевании от точки плавления образуют
структуру твердого раствора углерода в у-железе, т. е.
аустенита. Эти сплавы называются сталями. Справа от
точки Е кристаллизация сплава заканчивается образо-
ванием эвтектики, называемой ледебуритом. Это об-
ласть чугунов.
Фазовые превращения в стали при охлаждении удоб-
нее рассматривать по вертикальной линии I—2-S—0,81,
проходящей через точку S (углерода 0,81%). В интерва-
ле температур от точки 1 до точки 2 сплав будет двух-
фазным: жидкость + аустенит. При дальнейшем охлажде-
нии от точки 2 до точки S отмечается область устойчивого
существования аустенита, а в точке S происходит рас-
пад аустенита с образованием вторичного цементита по
схеме:
Feg(C) -» Fea(C) + Fe3C. (3.5)
2. Зак 61
33
Материалы и их поведение при сварке
Рис. 3.8. Диаграмма состояния сплава железо-углерод
(железо-цементит)
Продуктом распада является феррито-цементитная
смесь, содержащая 0,81% углерода и названная перлитом,
само превращение называется эвтектоидным, а сталь —
перлитной. Температура эвтектоидного превращения
обозначается как Acj Процесс кристаллизации и пре-
вращения в сталях, содержащих больше или меньше
0,81% углерода, идет аналогично (по линиям SE и SG).
В связи с этим стали делят на доэвтектоидные (С <
< 0,81%), эвтектоидные (С = 0,81%) и заэвтектоидные
(С > 0,81 %), а чугуны соответственно делятся на доэв-
тектические (С < 4,3%), эвтектические (С = 4,3%) и за-
эвтектические (С > 4,3%).
Как видно из рис. 3.8, структура большинства доэв-
текгоидных сталей после медленного охлаждения состо-
ит из двух фаз — феррита и перлита. С увеличением
количества углерода уменьшается количество феррита и
возрастает количество перлита, т. е. фактически растет
количество цементита. Твердые и хрупкие частицы цс-
М
Глава 3. Строение и свойства металлов
ментита повышают сопротивление движению дислока-
ций, т. е. повышают сопротивление деформации и кро-
ме этого уменьшают пластичность и вязкость. В частно-
сти, отмечается (3}, что каждые 0,1% С расширяют
интервал перехода от вязкого к хрупкому разрушению.
Углерод также оказывает существенное влияние на тех-
нологические свойства стали: свариваемость, обрабаты-
ваемость давлением, резанием, о чем будет подробнее
указано ниже.
Учитывая, что любая сталь является многокомпонен-
тным сплавом, содержащим кроме углерода и ряд дру-
гих элементов (Мп, Si, S, Р), кратко обозначим влияние
этих элементов на свойства сплава.
Кремний и марганец (Мп < 0,5...0,8%, Si < 0,35...0,4),
переходящие в сталь при выплавке в процессе раскис-
ления, упрочняют феррит, несколько снижая пластич-
ность, а марганец понижает температуру красноломко-
сти стали.
Сера образует эвтектику (Fe + FeS) с Т11Л = 988 °C, кото-
рая, расплавляясь при прокатке, ковке (Т = 1000... 120( I °C)
и сварке нарушает связь между зернами и способствует
образованию надрывов и трещин (красноломкость).
Одновременно сера снижает пластичность, усталостную
прочность, ухудшает свариваемость и коррозионную
стойкость. Ее содержание в сталях ограничивается в
пределах 0,03...0,06%.
Фосфор повышает жидкотекучесть, но охрупчивает
сталь, уменьшая пластичность и вязкость. Его содержа-
ние ограничивается в пределах 0,025...0,08%.
Азот, кислород и водород присутствуют в стали как
в га сообразном виде (в раковинах, порах, микротрещи-
н IX и т. п.), так и в виде твердых растворов внедрения и
хрупких неметаллических включений (оксидов FeO,
SiOj, ни । рилов Fc2N и г. д.). И м галличсскис включе-
Материалы и их поведение при сварке
ния, располагаясь по границам зерен, снижают ударную
вязкость и предел выносливости сталей. Водород, на-
капливаясь в микропустотах, вызывает появление пор и
часто способствует образованию пор и холодных «замед-
ленных» трещин.
В условиях неравновесного (ускоренного) охлажде-
ния, характерного для процессов сварки, ковки, прокат-
ки, как правило, образуются пересыщенные твердые
растворы углерода, кислорода и азота в железе. Посте-
пенное выделение О2 и N2 из пересыщенных растворов
при нормальной или повышенной рабочей температу-
ре приводит к изменению свойств сталей. Этот процесс
называется термическим старением. Как правило, оно
повышает прочность стали и снижает ударную вязкость,
повышая порог хладноломкости. Старение возможно и
после холодной пластической деформации (если она
проводится ниже температуры рекристаллизации). Та-
кой процесс называется деформационным старением.
Таким образом, диаграмма состояния сплавов желе-
зо-углерод позволяет качественно оценить изменения
структуры и свойств стали при технологических воздей-
ствиях, связанных с нагревом, охлаждением или дефор-
мацией.
Вопросы для самопроверки
I. Что называется кристаллической решеткой металла ?
2. Что такое полиморфное превращение?
3. Какое явление называется анизотропией?
4. Что называют фазой в металлической системе?
5. Какие фазы могут образовываться в твердом сплаве?
6. Что называется твердым раствором, химическим
соединением?
36
Глава 3. Строение и свойства металлов
7. Какие виды вакансий вам известны?
8. Какие виды дислокаций вам известны ?
9. Что называется диффузией ?
10. Как называется эвтектоид в стали?
11. Какова структура доэвтектоидной стали, находя-
щейся при нагревании в интервале температур 400—
500 °C?
1 Глава 4 =
ЛЕГИРОВАНИЕ
ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ
СПЛАВОВ И ИХ
СВАРИВАЕМОСТЬ
4.1. Легирующие элементы
и их воздействие на превращения
и свойства фаз
Легирующие элементы вводятся в железоуглеродистые
сплавы для улучшения механических или придания спе-
циальных свойств. К ним относятся С, Сг, Mo, Ni, Ti, V,
Al и др., а также Si и Мп, если их содержание превышает
обычное для углеродистой стали. Их влияние основано
на изменении количества, формы и свойств фаз, присут-
ствующих в железоуглеродистых сплавах (феррита, аус-
тенита, перлита и цементита), изменении температуры
начала и конца полиморфных превращений, эвтектоид-
ной и эвтектических реакций, расгворимости углерода в
аустените и его содержания в перлите и т. п.
Как известно [3, 4], химические элементы, за исклю-
чением С, N и Н, образуют с железом твердые растворы
замещения. Если кристаллическая решетка легирующе-
го элемента является ГЦК (подобная Fcy), то он раство-
38
Глава 4. Легирование железоуглеродистых сплавов
ряется в аустените и расширяет температурную область
его устойчивого состояния (рис. 3.8, область «А/>). Такие
элементы называются аустенизаторами. К ним в двой-
ных системах относятся Ni, Мп, а в малых количествах
С, N, Си. В тройных системах Сг также стабилизирует
аустенит.
При повышенной концентрации указанных легиру-
ющих температура Ac3 понижается вплоть до комнатной
температуры, а температура АС4 приближается к линии
солидуса. Такие сплавы не испытывают фазовых у <-> а
превращений и называются аустенитными. Некоторые
сплавы, частично претерпевающие у <-> а превращения,
называют полуаустенитными.
Легирующие элементы, имеющие кристаллическую
решетку ОЦК, подобную Fea, стабилизируют феррит и
их называют ферритизаторами (Сг, Mo, V, Ti и др.). Они
понижают температуру АС4 и повышают температуру
А< ъ что существенно сужает аустенитную область и рас-
ширяет область устойчивого существования ферритной
фазы. При повышенном содержании таких легирующих
сплавы при всех температурах состоят из твердого ра-
створа легирующего в a-железе, т. е. в виде феррита.
Такие сплавы называют ферритными.
Изменяя структуру, легирующие изменяют свойства
желе юуглеродистого сплава (прочность, пластичность,
ударную вязкость и т. д.), что широко используется при
снарке.
По характеру взаимодействия с углеродом все легиру-
ющие элементы делятся на графитизирующие (Si, Al,
( и) и карбидообразующие (Fe, Мп, Сг, Mo, W, Nb, Zr,
I i). При малых концентрациях карбидообразующих,
п шример, Мп, Сг, Мо, они растворяются в цементите
1< И \ образуя легированный цементит (FeCr)3C. При
их больших концентрациях образуются карбиды, спо-
39
Материалы и их поведение при сварке
собные растворять в себе железо, например карбид
(CrFe)7C3.
Все карбиды делятся на две группы: карбиды со
сложными кристаллическими решетками типа Ме3С,
Ме7С3, Ме23С6, Ме6С, легко растворяющиеся при нагре-
ве в аустените, и карбиды типа МеС с простыми куби-
ческими решетками (VC, ПС, NbC), почти не растворя-
ющиеся в аустените при нагреве. Карбиды любого типа
являются упрочняющими и часто охрупчивающими
фазами.
Если концентрация легирующих в стали очень вели-
ка, то они образуют с железом или друг с другом хими-
ческие соединения, так называемые интерметаллидные
фазы, например Fe7Mo6, Fe3Ti, FeV, FeCr (о-фаза) и т. д.
Некоторые из них благоприятно влияют на упрочнение
стали (при их выделении в процессе старения), а мно-
гие охрупчивают сталь (например, с-фаза FeCr).
Таким образом, исходя из формирующейся структу-
ры при равновесном охлаждении (например, с печью),
стали могут быть разделены на 6 классов: перлитный,
ферритный, полуферритный, аустенитный, полуаусте-
нитный и карбидный.
Если же исходить из структуры, получаемой после ус-
коренного охлаждения на воздухе стальных образцов, на-
гретых до 900 °C (нормализация), то стали можно раз-
делить на следующие классы: перлитный, бейнитный,
мартенситный, ферритный, аустенитный и карбидный.
4.2. Фазовые превращения
в железоуглеродистых сплавах
Процесс образования аустенита при нагреве являет-
ся диффузионным процессом и подчиняется основным
40
Глава 4. Легирование железоуглеродистых сплавов
положениям теории кристаллизации (появление заро-
дышей, рост кристаллитов и т. п.).
При нагревании, например, эвтектоидной перлитной
стали до температуры АС1 происходит постепенно уве-
личивающееся растворение цементита в феррите и по-
вышение концентрации углерода в соответствии с ли-
нией предельной растворимости (рис. 3.8, линия PSK).
При дальнейшем возрастании температуры (несколько
выше АС1) концентрация углерода в отдельных зернах
феррита возрастает, они становятся неустойчивыми и
начинается превращение (перестройка решетки) ферри-
та в аустенит, стабильный при данной температуре. За-
родыши аустенита образуются на границе раздела фер-
рита и цементита, где наличие дефектов структуры
снижает энергию их образования. После исчезновения
с ростом температуры границ феррита и цементита на-
блюдается рост образовавшихся зерен аустенита. Одна-
ко он неоднороден по содержанию углерода в отдельных
зернах (блоках).
Для начала гомогенизации аустенита требуется повы-
шение температуры выше Ас3 и некоторое время. Чем
больше углерода, тем быстрее протекает процесс гомоге-
низации. Однако легирующие (Сг, Mo, V) задерживают
процесс аустенизации при нагреве из-за образования
легированного цементита или карбидов легирующих.
Процесс задержки усугубляется увеличением скорости
нагрева. При дальнейшем повышении температуры
выше Асз происходят рост зерна аустенита и его гомо-
генизация.
Если эвтектоидную сталь переохладить до темпера-
туры ниже Ас3, то аустенит окажется в метастабильном
состоянии и должен претерпевать превращение. Кине-
тика этого процесса описывается диаграммами изотер-
мического превращения аустенита, т. е. превращения,
41
Материалы и их поведение при сварке
протекающего при постоянной температуре. Процесс
изотермического превращения аустенита рассмотрим на
примере переохлаждения эвтектоидной стали. Пусть,
нагретая до 770...780 °C (несколько выше А^) сталь ох-
лаждена до температуры Ть лежащей ниже АС1. При этом
аустенит переохлажден на величину АТ (рис. 4.1, а).
Рис. 4.1. Схема изотермической обработки (а) и кинетическая
кривая (б) распада аустенита.
Являясь метастабильным, переохлажденный аустенит
сохраняется в течение времени tb Точка Н — начало рас-
пада, а точка К — конец распада аустенита, продолжи-
тельность распада I,—12. На рис. 4.1, б показана кинети-
ческая кривая распада аустенита, из которой видно, что
наибольшая скорость распада наблюдается при 50%-ном
превращении аустенита.
Повторяя описанный процесс при разных степенях
переохлаждения АТ, получим в каждом случае разное
положение точек Н и К. Соединив линии, представля-
ющие собой геометрические места точек Н и К при раз-
личных АТ, построим диаграмму изотермического пре-
вращения переохлажденного аустенита (рис. 4.2.).
Следствием распада аустенита является снижение ра-
створимости углерода в феррите, поэтому избыток уг-
лерода диффузионно выделяется из раствора, дополни-
42
Глава 4. Легирование железоуглеродистых сплавов
Рис. 4.2. Диаграмма изотермического превращения переохлаж-
денного аустенита Н — начало распада; К — конец распада;
Тм> — температура минимальной устойчивости аустенита
тельно образуя карбид железа по схеме: А -> Ф + К. Уве-
личивая степень переохлаждения АТ можно измельчать
зерна образовавшейся карбидно-ферритной фазы. Од-
нако при весьма высоких скоростях охлаждения, харак-
терных, например, для процессов сварки, диффузион-
ный распад аустенита резко тормозится и может вообще
не произойти. Результатом бездиффузионного превра-
щения аустенита в феррит является образование пере-
сыщенного твердого раствора внедрения углерода в
a-железе с искаженной кристаллической решеткой
и большими внутренними напряжениями. Такой пере-
сыщенный раствор называется мартенситом и характери-
зуется наивысшей хрупкостью и твердостью. На рис. 4.3,
иллюстрирующем диаграммы изотермического распада,
температура начала и конца образования мартенсита обо-
значены буквами Мии Мк Время минимальной устойчи-
вости аустенита t инк аустенита, как видно из рис. 4 3, су-
щественно изменяется, если в стали содержатся
легирующие элементы. Находясь в твердом растворе, ле-
гирующие элементы препятствуют распаду аустенита
43
Материалы и их поведение при сварке
III
Рис. 4.3. Диаграммы изотермического распада аустенита
в низкоуглеродистой (1), среднелегированной (II)
и высоколегированной (III) сталях
44
Глава 4. Легирование железоуглеродистых сплавов
при охлаждении, т. е. сохраняют его устойчивость в
большом временном интервале. В первом приближении
можно принять, что легирующие элементы смещают
линии изотермических превращений (С-образные кри-
вые) вправо (см. рис. 4.3), а температуру мартенситных
превращений Мн — вниз. Углерод, никель, медь и, ча-
стично марганец, находясь в таком растворе, увеличи-
вают устойчивость аустенита и замедляют скорость его
распада в ферритной области. Карбидообразующие эле-
менты (Сг, Mo, V, Ti и др.) замедляют распад аустенита
в области перлитного превращения при Т = 780...550 °C
и особенно резко уменьшают скорость распада аустени-
та при Т = 550...400 °C. При Т < 400 °C скорость распада
аустенита вновь резко возрастает. В результате диаграм-
ма изотермических превращений принимает более слож-
ный вид (рис. 4.3, II) и состоит как бы из двух С-образ-
ных кривых, имеющих два минимума устойчивости
переохлажденного аустенита (t^d и tmin2), соответствую-
щие перлитному (диффузионному) и бейнитному (про-
межуточному) превращениям.
Практически распад аустенита всегда происходит не
изотермически, а в условиях непрерывного изменения
скорости охлаждения в интервале температур превраще-
ний, и кинетика превращений описывается термокине-
тическими (анизотермическими) диаграммами, позволя-
ющими оценивать влияние изменяющихся во времени
скоростей охлаждения. При этом однотипные линии ди-
аграммы термокинетического распада смешаются правее
и ниже в сравнении с линиями изотермического распа-
да. Термокинетический процесс распада аустенита про-
должается в 1,5 раза большее время.
Следует подчеркнуть, что при сварке плавлением фа-
зовые превращения при охлаждении протекают в пере-
менных температурно-временных условиях, поэтому для
45
Материалы и их поведение при сварке
начало
Рис. 4.4. Диаграммы анизотермического превращения аустенита
в стали 09Г2 (а) и 15ХГ (б): 1,2 — точки на диаграмме изотерми-
ческого превращения; 1', 2' — точки на диаграмме термокинетичес-
кого превращения
анализа кинетики превращений целесообразно исполь-
зовать термокинетические диаграммы анизотермического
превращения аустенита, а для анализа состава конечных
структур — структурные диаграммы «структура-ско-
рость охлаждения» [5]. Схема процесса, приведенная на
рис. 4.4, позволяет определить такие параметры у -> а
превращения, как длительность охлаждения до появле-
ния в структуре бейнита (t6), феррита (1ф), перлита (tn),
и сопоставлять их с длительностями охлаждения t мо soo*c
4(>
Глава 4. Легирование железоуглеродистых сплавов
и t 8(ю 900 -с, соответствующими конкретным термичес-
ким циклам различных способов сварки.
Таким образом, совместный анализ диаграмм состо-
яния и термокинетических диаграмм сплавов позволя-
ет оценивать тепловые режимы сварки и управлять про -
цессом формирования структуры сварного соединения.
4.3. Свариваемость сталей и методы
ее оценки
Одной из важнейших характеристик металлов и, в ча-
стности, железоуглеродистых сплавов, используемых в
сварных конструкциях, является свариваемость. Вопро-
сы физической и технологической свариваемости дос-
таточно подробно отражены в курсе «Теория сварочных
процессов» и в специальной литературе [4,5], куда мы
и отсылаем читателя.
Подчеркнем, что свариваемость не является неотъем-
лемым свойством металла или сплава, подобным его фи-
мческим свойствам. Кроме химического состава, тепло-
физических и механических свойств основного металла
свариваемость в известной мере определяется способом
и режимом сварки, составом электродного металла и шва,
покрытия, флюса или защитного газа, конструкцией
сварного узла, его назначением и т. п. Приведем опреде-
ление свариваемости, представленное в ГОСТ 2601—84:
«Свариваемость — свойство металлов или сочетания
металлов образовывать при установленной технологии
снарки соединение, отвечающее требованиям, обуслов-
ленным конструкцией и эксплуатацией изделия».
Различают несколько качественных степеней свари-
ваемости: хорошая, удовлетворительная, ограниченная
и плохая [4]. По ним номенклатура сталей условно раз-
47
Материалы и их поведение при сварке
делена на 4 группы свариваемости: от I (хорошая) до IV
(плохая). Это позволяет ориентировочно оценивать их
свариваемость при заданном или проектируемом спосо-
бе сварки.
При экспериментальных методах оценки свариваемо-
сти применяются специальные сварные образцы (пробы)
и имитируются условия сварки (технология). По резуль-
татам испытаний определяются условия появления и ко-
личество дефектов (например, трещин), механические и
специальные свойства, абсолютные и относительные зна-
чения которых принимаются за количественные или ка-
чественные показатели свариваемости (критерии свари-
ваемости). По ним судят о возможном поведении металла
шва и сварного соединения при эксплуатации.
Установление методического единства при рассмотре-
нии вопросов свариваемости (например, по степени тре-
щинообразования швов и соединений) достигается соблю-
дением оговоренных стандартами понятий и терминов,
таких как склонность к образованию трещин, стойкость
против образования трещин, сопротивляемость образова-
нию трещин. Такому подходу к экспериментальной оцен-
ке свариваемости способствуют установленные формы,
размеры образцов (проб) и условия проведения испыта-
ний (ГОСТ 26388-84, ГОСТ 26389-84).
Расчетные методы оценки свариваемости в основном
учитывают химический состав металла, наличие приме-
сей и газов, а косвенно способ и режимы сварки (экви-
валентный углерод, насыщение водородом, параметр
трещинообразования и т. д.). Несмотря на известную ог-
раниченность (условность) расчетных оценок, они по-
зволяют ориентировочно оценивать различные вариан-
ты технологий сварки на стадии проектирования
сварной конструкции.
48
Глава 4. Легирование железоуглеродистых сплавов
Вопросы для самопроверки
1. Кокие сплавы называются аустенитными ?
2. Как подразделяются легирующие элементы по ха-
рактеру взаимодействия с углеродом?
3. Чем отличаются при нагреве карбиды типа MejC и
МеС?
4. К чему приведет переохлаждение эвтектоидной
стали ниже температуры Ас1?
5. Почему на рис. 4.3,11! значение tmin больше, чем на
рис. 4.3,1?
6. Как по ГОСТ 2601—84 определяется понятие «сва-
риваемость» ?
7. Какие факторы учитывают расчетные методы
оценки свариваемости?
8. Какие факторы процесса сварки имитируются при
экспериментальных оценках свариваемости ?
9. Почему минимальное время устойчивости аустени-
та tmin на рис. 4.3,П! больше, чем на рис. 4.3,1?
Глава 5 ————
СТРОЕНИЕ СВАРНЫХ
СОЕДИНЕНИЙ
5.1. Основные виды превращений
в сварных соединениях
Служебные характеристики сварного соединения оп-
ределяются химическим составом, структурой и свой-
ствами металла шва и близлежащих к нему участков,
а также уровнем возникающих временных и остаточных
деформаций (напряжений).
В сварном соединении всегда можно выделить три
основных участка:
1) участок нагрева до температур выше или равных
реальному солидусу, где металл находился в жид-
ком или жидко-твердом состоянии;
2) участок зоны термического влияния (ЗТВ), где
температуры нагрева достаточны для полного или
частичного протекания фазовых превращений или
процессов рекристаллизации;
3) участок, где температура нагрева достаточна лишь
для механического или термомеханического изме-
нения свойств металла, вызванных пластической
и упругой деформацией.
50
Глава 5, Строение сварных соединений
В указанных участках при сварке сталей и сплавов с
полиморфными превращениями происходят следующие
фазовые превращения:
1) первичная кристаллизация металла шва;
2) полиморфное превращение, в частности мартен-
ситного типа;
3) эвтектоидный распад и обратное ему образование
твердого раствора из эвтектоидной смеси;
4) распад пересыщенных твердых растворов (напри-
мер, процессы старения) и обратное ему растворе-
ние фаз в твердом состоянии.
При сварке сплавов без полиморфных превращений
структура и свойства соединения определяются первич-
ной кристаллизацией шва и распадом пересыщенных
твердых растворов. Свойства образующихся при сварке
фаз существенно зависят и от процессов развития фи-
зической и химической неоднородностей. Значительное
влияние на свойства сварного соединения оказывают
также процессы возврата, полигонизации и рекристал-
лизационной обработки. Таким образом, сварное соеди-
нение всегда является неоднородным участком конст-
рукции, как по химическому составу и структуре, так и
по механическим свойствам отдельных участков.
5.2. Состав зоны термического влияния
•
Схематически распределение температур, строение
зоны термического влияния и левая часть диаграммы
состояния Fe-C показаны на рис. 5.1.
Металл шва образуется совместной кристаллизацией
основного и электродного металлов и во многом опре-
деляет свойства всего соединения. Закономерности фор-
мирования состава и структуры металла шва, его строе-
51
Материалы и их поведение при сварке
Рис. 5.1. Распределение максимальных температур, схема состава
сварного соединения и участок диаграммы Fe-C
ние, степень химической неоднородности подробно
освещены в литературе [4, 5]. Они определяются в ос-
новном термическими циклами соответствующих спо-
собов сварки (рис. 5.2).
Участок неполного (частичного) расплавления (Т <
< Тпл) основного металла прилегает к шву. По существу
этот участок определяет линию сплавления. Он харак-
терен высоким уровнем ликвации, особенно по С и Si,
и сегрегации примесей (S, Р) и легирующих элементов.
52
Глава 5. Строение сварных соединений
Рис. 5.2. Термические циклы при однопроходной сварке сталей:
I — ЛрДЭС; 2,3— АДФ толщин 10 и 25; 4 — ЭШС толщины 220 им
Участок перегрева (Тсол> Т > 1150...1250 °C) иници-
ирует интенсивный рост аустенитного зерна. Этот уча-
сток называют иногда участком полигонизации. В нем
сохраняется достаточно высокий уровень микро- и мак-
рохимической неоднородности, сопровождающийся
физической неоднородностью (огрублением структуры)
Участок нормализации (полной перекристаллизации)
с температурой 1100 °C > Т > Асз характеризуется незна-
чительным перегревом выше Ас3 и поэтому при охлаж-
дении в нем формируется мелкозернистая структура с
высокими механическими свойствами. Однако при ох-
лаждении с высокой скоростью именно в этом участке
происходят неблагоприятные фазово-структурные пре-
вращения (например, образование мартенсита).
Участок неполной перекристаллизации нагревается в
интервале Асз > Т > АСР В низкоуглеродистых и низко-
легированных сталях он характеризуется присутствием
почти не изменяющихся при нагреве ферритных и пер-
литных зерен, а после медленного охлаждения — мел-
кими зернами структуры распада аустенита (из-за
53
Материалы и их поведение при сварке
перекристаллизации). Повышение содержания легиру-
ющих в сталях и скорости охлаждения способствует про-
цессам образования твердых структур в этом участке.
Участок рекристаллизации (АС| > Т > 500...550 °C) по
структуре незначительно отличается о г основного ме-
талла, если он был до сварки отожжен. В прокате, под-
вергшемся пластической деформации, в этом участке
происходит срашивание раздробленных зерен, т е. соб-
ственно рекристаллизация. Механические свойства это-
го участка снижаются вследствие разупрочнения из-за
снятия наклепа во время нагрева, что особенно нежела-
тельно при сварке высокопрочных сталей. Часто этот
участок называют участком отпуска.
Участок старения (400 > Т > 250 °C) представляет со-
бой структуру, не претерпевающую видимых изменений.
Однако он может обладать пониженной пластичностью,
вязкостью и сопротивлением разрушению Это проис-
ходит вследствие протекающих при нормальных темпе-
ратурах процессов диффузионного выхода углерода из
пересыщенных твердых растворов, выделений карбо-
нитридов и т. п.
При многослойной сварке ввиду многократного воз-
действия термического цикла на основной металл строе-
ние и структура ЗТВ несколько изменяются. При сварке
длинными участками каждый последующий шов оказыва-
ет как бы отпуск предыдущему, несколько улучшая его
пластичность. При сварке короткими участками предыду-
щий шов и зона термического влияния длительное время
находятся в нагретом до высоких температур состоянии,
что приводит к существенному и часто неблагоприятно-
му изменению структуры и увеличению ее ширины.
Указанные в тех или иных участках ЗТВ превращения
реализуются в условиях непрерывного изменения их
температуры и уровня деформаций, что существенно
изменяет как вид образующейся структуры, так и ее раз-
54
Глава 5. Строение сварных соединений
меры. Таким образом, термический цикл сварки явля-
ется основным источником изменений структуры и
свойств свариваемого металла и ЗТВ. Основными пара-
метрами термического цикла сварки являются:
• сон — скорость нагрева вблизи температуры Ас3, ко-
торая в зависимости от способа сварки может изме-
няться в пределах от 1700 С/с (АрДЭС) до 3,0 °С/с
(ЭШС);
• максимальная температура нагрева рассматривае-
мого участка Ттах;
• время t' +1" пребывания металла выше температу-
ры Асз, определяющее степень гомогенизации и
величину зерна аустенита (f +1" = 1,5...540 с);
• со0 — скорость охлаждения при температуре наи-
меньшей устойчивости аустенита (-800...550 °C),
которая при сварке плавлением может изменять-
ся в пределах 60...0,25 ° С/с
Как видно из рис. 5.2, при разных способах сварки
все параметры термических циклов отмеченных выше
участков существенно различаются. Это означает, что в
указанных случаях условия образования и формирова-
ния структур ЗТВ также различные. Например, высокие
скорости охлаждения в интервале ТА - ТА при арго-
нодуговой сварке (см. рис. 5.2. кривая 1) позволяют,
с одной стороны, сохранить мелкое зерно распадающе-
гося аустенита, а с другой — способствовать закалке за
счет торможения процессов диффузионного распада
аустенита, В этом отношении термические циклы свар-
ки под флюсом (см. рис. 5.2, кривые 2, 3) более благо-
приятны. В то же время достаточно низкая скорость ох-
лаждения при ЭШС (см. рис. 5.2, кривая 4) создает
условия для формирования участка разупрочнения.
Следует отметить, что в зависимости от степени ле-
гирования и структурного класса свариваемых спален
при одинаковых термических циклах (тепловых режи-
55
Материалы и их поведение при сварке
мах) сварки в ЗТВ можно получать набор как «твердых»,
так и «мягких» структур. Установлено, например, что в
статях перлитного и мартенситного классов наиболее ча-
сто ответственными за разрушение соединения бывают
участок полной и неполной перекристаллизации (закал-
ки) и участки неполного расплавления и роста зерна.
В сталях аустенитного класса такими участками являются
участки неполного расплавления, рекристаллизации и ста-
рения.
Вопросы для самопроверки
I. Какие основные участки можно выделить в сварном
соединении?
2. Назовите основные виды фазовых превращений при
сварке плавлением конструкционных сталей.
3. Какие процессы происходят в участке перегрева ?
4. В какой области температур находится участок
старения ?
5. Что называется термическим циклом ?
6. Назовите основные параметры термического цикла
сварки.
7. К какому дефекту соединения может привести вы-
сокая скорость нагрева при аргонодуговой сварке?
8. Что называется зоной термического влияния ?
9. Какими температурами ограничена зона термичес-
кого влияния ?
10. Какие процессы происходят в участке рекристалли-
зации?
11. Как изменяются свойства в участке старения ?
12. Что такое мартенсит ?
56
Глава 6
ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
ОСНОВНОГО МЕТАЛЛА
И СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ
6.1. Виды термообработки
Термической обработкой (ТО) называют процессы
тепловою воздействия на конструкционные материалы
с целью направленного изменения их структуры и
свойств. ТО может быть промежуточной операцией,
улучшающей технологические свойства металла при
различных переделах (обработка давлением, резанием,
сварка), и окончательной, придающей металлу или свар-
ному соединению определенный уровень требуемых экс-
плуатационных характеристик (твердость, прочность, вяз-
кость, износостойкость, коррозионная стойкость и т. д.).
Процесс ТО можно характеризовать графиком в ко-
ординатах «температура-время» (рис. 6.J) и описать с
помощью параметров, главные из которых — макси-
мальная температура нагрева Ттах, время выдержки tB,
скорость нагрева VH и охлаждения Уохл — называются
параметрами режима. Для сварных соединений парамет-
рами режима ТО являются также ширина зоны нагрева
и время перерыва между окончанием процесса сварки
и началом ТО.
57
Материалы и их поведение при сварке
т »с м
Рис. 6.1. Схематический график термообработки
В зависимости от соотношения указанных выше па-
раметров различают следующие основные виды термо-
обработки: отжиг, закалка и отпуск (старение).
Основные сведения о сущности и назначении каж-
дого из указанных видов ТО читателю известны из кур-
сов «Технология конструкционных материалов» и «Ме-
талловедение». В данной главе представлены основные
разновидности названных выше видов ТО, которые на-
шли наиболее широкое применение в практике изготов-
ления сварных конструкций: высокий отпуск, нормали-
зация, улучшение (нормализация с последующим
высоким отпуском), термический отдых, аустенизация
и стабилизирующий отжиг На рис. 6.2 графически пред-
ставлены примерные этапы этих видов ТО в координа-
тах «темперагура-время».
Высокий отпуск для сварных соединений, как прави-
ло, является самостоятельной технологической опера-
цией, предназначенной для снижения уровня остаточ-
ных сварочных напряжений и улучшения структуры и
свойств металла сварного соединения. Он применим не
только для соединений из средне- и высокоуглеродис-
тых и легированных сталей, но также и для низкоугле-
родистых и низколегированных сталей. Основное отли-
58
Глава 6. Термическая обработка основного металла...
Рис. 6.2. Графики режимов термообработки сварных соединений:
а) низкоуглеродистые и низколегированные стали,
б) высоколегированные хромоникелевые стали;
1 — термический отдых, 2 — высокий отпуск, 3 — нормализация,
4 — стабилизирующий отжиг, 5 — аустенизация
чие режимов отпуска сварных соединений от режимов
отпуска основного металла заключается в необходимо-
сти более медленной скорости охлаждения после выдер-
жки (VDXjl < 300...400 С/ч) до достижения температуры
Т = 300 °C. Последующее охлаждение сварного соедине-
ния может проводиться на воздухе. К примеру, отпуск
при Т = 550...600 °C в течение tB= 1...2 ч практически на
90% снимает остаточные напряжения в сварных соеди-
нениях.
Термический отдых (низкотемпературный отпуск)
применяют, в основном, для толстостенных сварных
конструкций из низкоуглеродистых и низколегирован-
59
Материалы и их поведение при сварке
пых сталей, имеющих повышенную склонность к обра-
зованию трещин. Его назначение состоит в уменьшении
содержания водорода в сварном соединении. Макси-
мальная температура нагрева при такой обработке со-
ставляет Т = 250—300 °C. При этом большое значение
для качества операции имеет время ее проведения.
Нормализация как разновидность полного отжига
(Т = 900—950 °C, выдержка и охлаждение на воздухе) из-
мельчает крупнозернистую структуру сварных соедине-
ний и повышает их вязкость. Применяется как местный,
так и общий вид ТО для тонкостенных элементов кон-
струкций, например, трубопроводов.
Улучшение (нормализация или закалка с последую-
щим высоким отпуском) относится к полной ТО и ис-
пользуется для восстановления структуры и свойств
металла, изменившихся в процессе сварки, и снижения
уровня остаточных напряжений в сварных узлах из ле-
гированных и низкоуглеродистых сталей сложных кон-
струкций.
Аустенизация и стабилизирующий отжиг используют-
ся для сварных соединений из высоколегированных хро-
моникелевых сталей и сплавов. При аустенизации (Т —
- 1050—1100 С, выдержка 1—2 ч, охлаждение на воздухе)
получают однородную структуру аустенита, улучшают его
пластичность и снижают на 70—80% уровень остаточных
напряжений в сварном соединении. При стабилизирую-
щем отжиге (Т = 950-970 °C, выдержка 2-3 ч, охлажде-
ние на воздухе) на 70—80% снижается уровень остаточных
напряжений и обеспечивается стабильность структуры
соединения, противостоящей возникновению межкрис-
таллитной коррозии.
В сварном соединении (шов + зона термического вли-
яния) всегда присутствует тот или иной участок, прошед-
ший под действием термического цикла одну из назван-
ных выше обработок (хотя и нс полностью). В связи с
60
Глава 6. Термическая обработка основного металла...
этим сварное соединение можно представить себе как
«слоеный пирог», в котором каждый слой (участок) от-
личается «собственным» видом термообработки и, сле-
довательно, свойствами. Это обстоятельство определяет
трудности при назначении видов и режимов термообра-
ботки с целью выравнивания или улучшения свойств
всего соединения.
6.2. Способы нагрева и оборудование
для термообработки
Применяются три основных способа нагрева:
1. Конвективный, когда передача теплоты от источ-
ника производится через теплоноситель (напри-
мер, воздух, природный газ С2Н2). Такой нагрев
производится в печах различных конструкций и
размеров или в монтажных условиях с помощью
специальных газовых горелок [6, 7]. Достоинства
такого способа: маневренность, относительная про-
стота устройств и дешевизна способа. Недостатки
способа: значительный перепад температур по тол-
щине, окисление поверхности, трудности автома-
тизации процесса в монтажных условиях (особен-
но для сварных соединений).
2 Электрический, когда передача теплоты, генери-
руемой в нагревательном элементе, производится
путем его непосредственного контактирования с
поверхностью обрабатываемого изделия. Достоин-
ства способа: малый расход энергии, возможность
установки нагревательных элементов в труднодо-
ступных местах изделий и дистанционного управ-
ления термическим циклом термообработки, ис-
пользование группового метода нагрева и т. д.
Недостатки: неравномерный нтрсв по толщине
61
======= Глава 7
ЧУГУНЫ И СТАЛЬНОЕ ЛИТЬЕ
7.1. Состав, структуры и основные
свойства чугунов
Согласно диаграмме состояния область чугунов ох-
ватывает сплавы железа, содержащие свыше 2,14% уг-
лерода.
В процессе кристаллизации и последующего охлаж-
дения чугуна, как следует из рис 3 8 (пунктирные ли-
нии SE, ECF, CD), избыточный углерод выделяется в
виде включений графита или цементита (карбида желе-
за). Количество выделившегося графита, форма, разме-
ры и характер распределения его в металлической мат-
рице оказывае г существенное влияние на механические
свойства чугунов По этим признакам чугуны, как из-
вестно, разделяются на следующие группы: серый, бе-
лый, ковкий высокопрочный и легированный. Наибо-
лее широкое применение получили в технике серые
доэвтектические чугуны, содержащие 2,4...3,8% С, как
обладающие благоприятным комплексом титейных и
механических свойств.
На структуру чугуна и его свойства оказывает боль-
шое влияние кремний, которого в сером чугуне обыч-
но содержится 1,2.,.3,5%. Поэтому при изучении струк-
турообразования в техническом (сером) чугуне удобнее
64
Глава 7. Чугуны и стальное литье
пользоваться тройной диаграммой состояния Fe-C-Si,
анализ которой подробно представлен в работе [ 11
В реальных условиях неравновесного (ускоренного)
охлаждения структура чугунов отличается от равновесной
и поэтому удобнее рассматривать структурное строение
чугунов в зависимости от химического состава (содержа-
ния Si) и скорости охлаждения (толщины отливки), по-
казанной на рис. 7.1. Как видно из рисунка, при посто-
янном содержании углерода увеличение количества
кремния и снижение скорости охлаждения приводит к
более полному протеканию процессов графитизации.
Рис. 7.1. Влияние состава (а) и скорости охлаждения
(б) на структуру чугуна
Содержание марганца в чугуне не превышает
1,25... 1,4%. Он препятствует графитизации и способ-
ствует отбеливанию. Сера заметно тормозит процесс
графитизации и является вредной примесью, ухудшаю-
щей механические и литейные свойства чугуна. Поэто-
му ее ограничивают в пределах 0,1...0,12%. Содержание
фосфора в сером чугуне составляет » 0,2%, хотя допус-
кают и до 0,4...0,5%. Улучшая жидкотекучесть, фосфор
вызывает образование двойной (Fe3P -аустенит) или
3. Зак 61
65
Материалы и их поведение при сварке
тройной (Ре3С-Ге3Р-аустенит) эвтектики, охрупчиваю-
щей чугун. По структуре серые чугуны, как видно из
рис. 7.1, могут быть ферритными, феррито-перлитны-
ми и перлитными. К последним относятся так называ-
емые сгалистые и модифицированные чугуны. Скорость
охлаждения во многом определяет размеры структурных
составляющих: чем меньше скорость охлаждения, тем
крупнее графитные включения, крупнее зерно металли-
ческой основы, а следовательно, меньше прочность и
твердость.
В соответствии с ГОСТ 1412—85 серые чугуны мар-
кируются буквами СЧ и двузначными цифрами, обозна-
чающими величину предела прочности в 10-1 МПа при
растяжении: СЧ 10, СЧ 15, СЧ 45. Из белого чугуна пу-
тем отжига получают ковкий чугун, характеризующий-
ся повышенной прочностью, пластичностью и ударной
вязкостью. Такие свойства обеспечиваются образовани-
ем хлопьевидной формы включений графита. По струк-
туре эти чугуны являются ферритными и перлитными.
По ГОСТ 1215—79 они обозначаются: КЧ 30—6, КЧ 37—
12, КЧ 95—6 и т. д.
Высокопрочные чугуны — это серые чугуны, в кото-
рых за счет добавок магния (0,03...0,07%) в процессе
кристаллизации графит принимает не пластинчатую,
а шарообразную форму, что меньше ослабляет металли-
ческую основу чугуна и повышает его механические
свойства. Высокопрочные чугуны в соответствии с
ГОСТ 7293—85 разделяются по структуре на ферритные,
перлито-ферритные, перлитные и бейнитные. Они мар-
кируются двумя буквами и следующими за ними двумя
цифрами, обозначающими среднее значение временно-
го сопротивления на разрыв (ранее обозначалось и от-
носительное удлинение): ВЧ 35, ВЧ 40, ВЧ 50. Ука1ан-
ные выше составы, структуры и свойства различных
марок чугунов определили различные области примене-
66
Глава 7. Чугуны и стальное липе
ния чугунов от фундаментных плит и литых малонагру-
женных деталей сельскохозяйственных машин и авто-
мобилей до станин мощных станков, прессов, деталей
турбин и металлургического оборудования, работающих
в условиях износа и ударного нагружения.
Стали для отливок отличаются от обыкновенных по-
вышенным содержанием серы (0,045%) и фосфора
(0,04%). По химическому составу они классифицируют-
ся на конструкционные углеродистые и легированные
(ГОСТ 977—75) и высоколегированные со специальны-
ми свойствами (ГОСТ 2176—77). По назначению они
разделяются на три группы:
1) для отливок общего назначения;
2) для отливок ответственного назначения;
3) для отливок особо ответственного назначения.
К конструкционным углеродистым относятся стали
15Л, 20Л, 25Л, ЗОЛ, 40Л, 50Л и 55Л, а к конструкционным
легированным 351 Л, ЗОГСЛ, 35ХМЛ, 35ХГСЛ, 08ГДНФЛ.
К литым высоколегированным сталям со специальными
свойствами относятся стали 20Х13Л, 10Х14НДЛ (мар-
тенситного класса), 08Х14Н7МЛ, 14Х18НЧГЧЛ (аусте-
нитно-мартенситного класса), 12Х25Н5ТМФЛ,
20Х20Н1ЧС2Л (аустенитно-ферритного класса) и
10X18Н9Л, 18Х25Н9сл (аустенитного класса).
Для литых сталей нормируемыми показателями ме-
ханических свойств являются предел текучести или вре-
менное сопротивление на разрыв, относительное } дли-
нение и ударная вязкость.
Как правило, свойства литейных сталей хуже, чем у чу-
гуна. Стали характеризуются большой литеиной усадкой
(2,3...2,8%), что существенно сказывается на точности ли-
тых деталей. Стали весьма чувствительны к термическим
циклахМ обработки. Все это является причиной образова-
ния в литых стальных деталях и сварных соединениях из
з* 67
Материалы и их поведение при сварке
них таких дефектов, как раковины, пористость, трещи-
ны, коробление и т. п.
7.2. Свариваемость чугунов
Сварку применяют главным образом для устранения
дефектов в чугунных отливках, при ремонте вышедше-
го из строя оборудования и в меньшей степени для по-
лучения сварно-литых конструкций. Наибольшее при-
менение процесс сварки нашел для деталей из серых
чугунов. Свариваемость чугунов определяется повышен-
ной склонностью к образованию трещин, что обуслов-
лено высоким содержанием углерода, низкой техноло-
гической прочностью и пластичностью и образованием
по линии сплавления хрупких структур (ледебурита) при
охлаждении сварного соединения. Кроме того, на обра-
зование трещин влияют неравномерность нагрева и ох-
лаждения (высокий уровень термических напряжений)
при сварке, повышенная литейная усадка металла шва
и жесткость свариваемых изделий. Снижение трещино-
образования в шве при сварке достигается обеспечением
его графитизации при охлаждении. Поэтому необходимо
вводить в шов большее количество графитизаторов: уг-
лерода, кремния. Небольшие количества хрома, ванадия
и титана способствуют измельчению графита, улучшая
пластичность швов. Мелкозернистые перлитные чугуны
с мелкими графитовыми включениями обладают луч-
шей свариваемостью.
Плохо свариваются чугуны с крупными графитовы-
ми включениями и ферритными зернами. В околошов-
ной зоне наиболее опасным с точки зрения образования
твердых структур является участок сплавления, примы-
кающий к сварочной ванне и находящийся в твердо-
жидком состоянии (Т = 1140... 1150 °C). В этом участке
68
Глава 7. Чугуны и стальное литье
при сварке без подогрева образуется жидкая фаза, кри-
сталлизующаяся при охлаждении с образованием леде-
бурита (A+Fe3C) и мартенсита (Fea-пересышенный)
Оба компонента способствуют интенсивному трещино-
образованию, особенно, если сварочная ванна содержит
мало графитизаторов (С и Si). Если же ванна содержит
достаточное количество графитизаторов (при сварке
использовались чугунные прутки), вероятность образо-
вания ледебурита снижается и трещины по линии сплав-
ления могут не образовываться. Добавка в сварочную
ванну никеля и его диффузия в околошовную зону так-
же способствует выделению углерода в виде графита и
уменьшает трещинообразование на линии сплавления.
Участок сварного соединения, нагреваемый до Т =
850...1140 °C, при охлаждении, как правило, содержит
продукты неравновесного распада аустенита — троостит
и мартенсит. В нем отмечаются повышение прочности,
твердости и снижение пластичности. Если этот участок
узкий, то трещин при сварке может и не быть.
На участке, нагреваемом до Т = 840...850 “С, проис-
ходит измельчение металлической основы, а в зоне тем-
ператур Т = 500...840 “С отмечается увеличение количе-
ства графита из-за распада карбидов железа. Поэтому
jtot участок менее подвержен трещинообразованию.
Из сказанного следует, что кроме правильного под-
бора состава сварочных материалов (регулирование ко-
личества графитизаторов) и режимов сварки одним из
основных способов устранения отбеливания и закалки
шва и околошовной зоны является предварительный
подогрев зоны сварки (горячая сварка) с целью умень-
шения скорости охлаждения (рис. 7.1, б). Благоприят-
ные условия, в этом смысле, создаются при процессах
соединения деталей, осуществляющихся без расплавле-
ния основного металла (пайка, пайка — сварка).
69
Материалы и их поведение при сварке
7.3. Технологические рекомендации
по сварке чугунов
Применяемые способы сварки чугуна можно выделить
в две большие группы; ручная дуговая сварка и механизи-
рованная сварка, в каждой из которых используются сва-
рочные материалы, обеспечивающие возможность по-
лучения в наплавленном металле чугуна, стали или
цветных сплавов.
Основными дефектами, ограничивающими сварива-
емость чутунов, являются холодные и горячие трещины
и пористость швов. Горячие трещины возникают из-за
наличия легкоплавких эвтектик, остающихся жидкими
между затвердевшими кристаллитами. В общем случае
подогрев до Т = 500...600 °C (горячая сварка) является
радикальным, хотя и трудоемким способом устранения
горячих трещин.
Холодные трещины, возникающие как из-за выделе-
ния графита пластинчатой формы, играющего роль над-
реза в металлической матрице, так и из-за образования
твердых закалочных структур в близлежащих ко шву
участках, являются наиболее распространенным дефек-
том сварных соединений, сваренных чугунными элект-
родами. С увеличением количества свободного графи-
та и изменением формы включений снижается величина
усадки наплавленного металла, уменьшаются сварочные
напряжения, улучшаются пластические свойства метал-
лической матрицы и снижается склонность к холодным
трещинам.
Холодные трещины в швах, наплавленных стальны-
ми электродами, неизбежны, особенно в тонкостенных
элементах (5 = 5... 10 мм), свариваемых за один проход.
При этом трещины появляются не только в шве, но и в
зоне термического влияния. Удаление из металла шва
70
Глава 7. Чугуны и стальное литье
фосфора и серы, измельчение структуры, сварка корот-
кими швами на малых токах, использование многопро-
ходной сварки взамен однопроходной и проковка
швов — это меры, которые способствуют снижению об-
разования холодных трещин при использовании сталь-
ных электродных материалов.
Поры являются распространенным дефектом, осо-
бенно опасным для чугунных сварных узлов, работаю-
щих под давлением (вентильно-запорная арматура).
Они образуются в шве из-за пересыщения металла Н2,
N, СО или парами воды. Тщательная очистка основно-
го металла перед сваркой от ржавчины и загрязнений,
связывание водорода в нерастворимые в металле шва со-
единения (HF, ОН), связывание азота в нитриды, сни-
жение скорости охлаждения за счет использования мяг-
ких режимов сварки и подогрева — все это приводит к
снижению порообразования в швах.
Сварочные электроды на основе никеля обеспечивают
удовлетворительную прочность и обрабатываемость соеди-
нений. Электроды ОЗЧ-З, ОЗЧ--4, МНЧ-2, ОЗЖН-1 в
основном применяют для сварки ответственных изде-
лий из серого и ковкого чугунов без подогрева (холод-
ная сварка).
При сварке электродами на медной основе (холодная
сварка) наплавленный металл представляет собой мед-
ный сплав с вкраплениями железоуглеродистых частиц,
так как медь практически не растворяет в себе железо и
углерод. При этом железо в шов вводится через покры-
тие Примером таких электродов является ОЗЧ—2. Свар-
ку ведут короткими участками на постоянном токе об-
ратной полярности с обязательной проковкой швов.
При сварке чугуна чугунными электродами (прутками)
необходимо обеспечивать наплавленный металл, близ-
кий по составу с основным. Электроды изготовляют из
чугунных прутков с повышенным содержанием графи-
7]
Материалы и их поведение при сварке
тизаторов: С = 3,0...3,6%, Si = 3,6...4,8%. Составы по-
крытий в электродах также увеличивают количество гра-
фитизаторов в шве и предотвращают их окисление при
сварке. Электроды используются больших диаметров
(12... 14 мм) длиной до 500 мм. Сварку чугунными элек-
тродами ведут на постоянном токе (800.. 1200 А) обрат-
ной полярности. Режимы сварки должны обеспечить
такую скорость охлаждения, которая позволяет избежать
«отбела» и трещин. Как правило, сварку ведут с подо-
гревом (горячая сварка) до Т = 400...600 °C, чго делает
процесс трудоемким. Охлаждение сварного соединения
со скоростью WO!U= 50... 100 °С/ч гарантирует отсутствие
цементита и ледебурита в наплавленном металле и око-
лошовной зоне и хорошую обрабатываемость соедине-
ний после сварки.
При сварке стальными электродами источником гра-
фитизирующих элементов, несколько снижающих
склонность соединений к холодным трещинам, являют-
ся покрытия с кремнийсодержащими компонентами
(марка ОМЧ-1, ЦЧ-5). Недостатком сварки стальны-
ми электродами является неоднородность наплавленно-
го металла: в швах, особенно многослойных, наблюда-
ются половинчатые сплавы (высокоуглеродистая сталь
+ чугун) со значительным количеством цементита и ле-
дебурита. Это порою ведет к трещинам. Поэтому свар-
ку следует выполнять на малых токах и малых скорос-
тях Механическая обработка таких сварных соединений
весьма затруднена из-за высокой твердости швов. Эти
электроды применяют ограниченно для декоративной
заварки мелких дефектов литья. Снижение твердости
наплавленного металла и получение ферритной или аус-
тенитной матрицы может достигаться введением в по-
крытие карбидообразующих элементов (V, Nb, Ti), свя-
зывающих углерод, переходящий в шов из основного
72
Глава 7. Чугуны и стальное литье
металла, и способствующих измельчению карбидов
(электроды марки ЦЧ—4). Сварка также ведется с подо-
гревом до Т = 300...400 “С. Обрабатываемость таких
швов вполне удовлетворительна, хотя по линии сплав-
ления часто отмечается зона повышенной твердости.
При ЭШС серого чугуна можно получать равнопроч-
ное, хорошо обрабатываемое сварное соединение. Это-
му способствуют «мягкий» термический цикл, большие
токи и малые скорости сварки в сочетании с соответ-
ствующими проволоками.
Газовая (ацетилено-кислородная) сварка обеспечивает
возможность регулирования в широких пределах скоро-
стей нагрева и охлаждения и осуществления сопутству-
ющей термической обработки (отжига) наплавленного
металла. В сочетании с присадочными чугунными прут-
ками (ГОСТ 2671—80) это позволяет устранять трещи-
ны и обеспечивает легкую обрабатываемость сварных
соединений. Для обеспечения хорошей смачиваемости
свариваемых кромок жидким расплавом используются
флюсы, основной задачей которых является перевод
образующихся тугоплавких шлаков в легкоплавкие со-
единения с последующим их удалением. В подавляю-
щем большинстве случаев для этого используется бура
(Na2B4O7), хотя имеются и другие флюсы.
Этот способ незаменим при ремонтных работах (узлы
сложных форм, труднодоступные места, возможность
осуществления процесса в любых условиях).
Механизированная сварка целесообразна при исполь-
зовании порошковых проволок, так как позволяет дос-
таточно широко регулировать состав наплавленного
металла за счет легирующих в проволоке и обеспечива-
ет высокую производительность. Содержание в напол-
нителе проволоки достаточного количества эффективных
графитизаторов (С, Si) позволяет получить однородный
73
Материалы и их поведение при сварке
с основным металлом шов. Для сварки серого чугуна ис-
пользуются порошковые проволоки марок ПП-АНЧ—1,
ПП-АНЧ—2, ПП-АНЧ—3, ПП-АНЧ-9, ППСВ-7 и др.
Как правило, сварку ведут открытой дугой, но иногда
создают дополнительную защиту углекислым газом.
Разработаны самозащитные проволоки для получения
швов с аустенитной матрицей (ПАНЧ—11) без предва-
рительного подогрева. Эту проволоку используют при
массовом ремонте чугунных деталей тракторных, ком-
байновых и автомобильных двигателей.
Дефекты в отливках, вскрывшиеся на последних стади-
ях механической обработки, сваркой плавлением, в том
числе и газовой, устранить практически невозможно,
так как это приводит к локальному повышению твердо-
сти (образованию трещин) и значительным деформаци-
ям изделия. Такие дефекты устраняются пайкой с ис-
пользованием чугунных присадочных прутков (УНЧ—2,
СТФЧ-2) и флюсов (МАФ-1) или латунных припоев
(Л—63, ЛОК59—1—03) с использованием флюсов на ос-
нове буры и борной кислоты. В отдельных случаях ис-
пользуется сварка пайка.
Вопросы для самопроверки
I. Какие железоуглеродистые сплавы называются чу-
гунами?
2. Что является основным признаком классификации
чугунов?
3. Какому процессу при охлаждении способствует по-
вышение содержания кремния в чугуне?
4. С помощью какого процесса получают ковкии чугун ?
5. Как классифицируются по назначению литые стали ?
74
Глава 7. Чугуны и стальное литье
6. За счет чего процессы сварки ухудшают свойства
чугуна ?
7. Что называется холодной сваркой чугуна?
8. В чем достоинства сварки чугуна порошковыми про-
волоками ?
9. В чем преимущество сварки чугунов ацетилено-кис-
лородным пламенем ?
Глава 9
СРЕДНЕУГЛЕРОДИСТЫЕ
И ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ
И ИХ СВАРИВАЕМОСТЬ
9.1. Общая характеристика сталей
К конструкционным среднеуглеродистым относят, со-
гласно ГОСТ 1050—88 и ГОСТ 4543—71, стали с содер-
жанием углерода 0,26...0,45% и в отдельных случаях мар-
ганца до 0,7... 1,0%. К ним относятся стали марок 30, 35,
40, 35Г, 45Г и др. Повышение содержания углерода уве-
личивает прочное!ь (ов, о02) и снижает пластичность и
вязкость (6, v, KCU) сталей, что приводит к повышению
их чувствительности к перегреву и закалке.
К конструкционным легированным сталям относят ста -
ли, содержащие легирующих более 4,5...6,0%. Легирую-
щими элементами являются, ь основном, Si, Мп, Сг, Ni,
упрочняющие феррит. К этой группе относятся стали
12Х2НВФА, 42Х2ГСНМА, 30ХГСНА и др. По структуре
эти стали относятся к перлитному классу, если легирую-
щих элементов 5...6%, и к мартенситно-бейнитиому
или мартенситному классу, если их содержание более
5...6%. Оптимальные механические свойства стали полу-
чают после термической обработки (закалка + отпуск).
Применение указанных сталей в сварных конструк-
циях связано с их высокой прочностью, удовлетвори-
104
Глава 9. Среднеуглеродистые и легированные стали...
тельной пластичностью и вязкостью, коррозионной
стойкостью в атмосферных условиях, чго позволяет сни-
зить металлоемкость (вес) и увеличить срок эксплуата-
ции изделий. Как правило, они используются при удар-
ных и переменных нагрузках.
В то же время повышенное содержание углерода и
легирующих элементов определяют сложности, возни-
кающие при сварке и заключающиеся в образовании
хрупких структур в шве и околошовных зонах. Часто
оказывается целесообразным выбор менее прочной ста-
ли, с наименьшим для данного класса содержанием уг-
лерода и легирующих, но более технологичной при свар-
ке (меньшая чувствительность к трещинообразованию,
концентраторам напряжений и т. и.).
9.2. Характеристика свариваемости
Свариваемость конструкционных среднеуглеродис-
тых и среднелегированных сталей можно определить как
их способность переносить тепловой режим сварки без
образования в соединении участков металла с понижен-
ными пластическими свойствами, способствующими
возникновению трещин или разрушению сварных со-
единений при эксплуатации. В рассматриваемых ста-
лях такие малопластичные и хрупкие участки образуют-
ся в зонах, где металл перегревается при сварке выше
температур Ас3, а при последующем охлаждении (см.
рис. 4.3, II) в его структуре фиксируется наряду с мар-
тенситом остаточный аустенит (в зависимости от степе-
ни легирования).
Таким образом, основным критерием свариваемости
является склонность этих сталей к холодным трещинам.
Наиболее часто они образуются в швах и околошовных
зонах перлитных и мартенситных сталей, свариваемых
105
Материалы и их поведение при сварке
электродными материалами, близкими по составу с ос-
новным металлом. Трещины могут возникать как в ин-
тервале температур образования мартенсита (250 С и
ниже), так и спустя некоторое время (через 24...48 ч) пос-
ле полного остывания сварного соединения. При этом
чем выше уровень остаточных напряжений, тем вероят-
нее образование холодных трещин. Указанные выше
легирующие элементы в этих сталях способствуют по-
нижению температуры начала мартенситного превраще-
ния Мн и. следовательно, появлению хрупких закалоч-
ных структур. О чувствительности этих сталей к закалке
судят по величине эквивалентного углерода:
с,„=Сф%+^%4—%Л5%+^« А -1+у%.(9.1)
и j 4 1Э 13 2
При значении Сэкв> 0,45% сварное соединение счи-
тается склонным к холодным трещинам. Однако такая
оценка в известной мерс является ориентировочной,
а определяющая роль принадлежит фактическому со-
держанию углерода. Процесс трещинообразования уси-
ливается наличием остаточного аустенита, распад кото-
рого при нормальных температурах происходит в течение
определенного времени, приводя к дополнительному
образованию неотпущенного мартенсита и дополни-
тельному росту величины внутренних напряжений. Этот
процесс усугубляется при повышенном уровне содержа -
ния водорода в металле, создающем в дефектах струк-
туры локальные и высокие давления. Это вызывает по-
явление замедленных трещин, часто образующихся
после проведенного контроля качества, а, значит, наи-
более опасных.
Дополнительным и весьма существенным фактором,
повышающим склонность сварных соединений из леги-
рованных сталей к холодным трещинам и охрупчива-
106
Глава 9. Среднеуглеродистые и легированные стали...
нию, является наличие различного рода концентраторов
напряжений (подрезов, локальных непроваров, загряз-
нений металла шлаковыми включениями и т. д.). Устра-
нение концентраторов напряжений и обеспечение дос-
таточной аустснитности шва за счет его легирования
существенно повышает стойкость соединения к холод-
ным трещинам (даже при повышенном содержании
мартенсита). Образование холодных трещин в этих ста-
лях можно также уменьшить:
• выбором способа и те нологии (режимов) сварки,
способствующих устранению грубодендритной
структуры шва и минимальному перегреву зоны
термического влияния;
• применением подогрева, уменьшающего вероят-
ность образования закалочных структур;
• снижением содержания водорода в сварном соеди-
нении;
• термообработкой (отпуском) сразу после сварки.
Использование соответствующих электродных мате-
риалов (табл. 9.1), многослойной сварки, колебательных
движений электрода, импульсного режима сварочного
тока и оптимальных режимов при непрерывном токе
обеспечивает получение равноосной мелкозернистой
структуры шва и предупреждает чрезмерное развитие
зоны перегрева основного металла. Наилучшие резуль-
таты получаются при сварке под флюсом и ручной дуго-
вой сварке, наихудшие —- при аргонодуговои сварке.
Снижение содержания водорода в металле шва дос-
тигается использованием низководородистых прокален-
ных электродов (основного типа), флюсов, осушкой га-
зов перед сваркой, тщательной зачисткой поверхностей
свариваемых кромок.
Отпуск после сварки, снижая остаточные напряже-
ния и улучшая структуру (повышая ее пластичность),
107
Таблица 9.1
Сварочные материалы и термообработка соединений из среднеуглеродистых
и среднелегированных сталей
Марка свариваемой стали Типы (марки) свариваемых материалов Термообработка
Ручная дуговая сварка Сварка под флюсом Сварка в инертных газах (Аг, Не) В процессе сварки После сварки
Тип Марка VI арка проволоки Марка проволоки
Сталь 45,35Г Э70 Л КЗ-70 Подофев 300...350 °C Оп-уск непосредственно после сварки
Э-08Х21Н10Г6 УОНИ-13/НЖ-2 С В-08Х21Н10Г6 200...300 "С Без термообработки
Э-30Х25Н16Г7 ОЗЛ-9А 200...300'С Без те рмообработки
ЗОХГ2С УОНИ-13/85У Св-08А Без термообработки
ЗОХГСНА НИАТ-ЗМ Св-18ХМА Св-18ХМА Подогрев 150..200 °C Закал ка+отпуск
ЗОХГСА Э-85, Э-100 УОН И-13/85 Св-04ХМА СВ-04ХМА Подогрев 150...200 °C За кал ка+отпуск
Окончание табл. 9.1
Марка свариваемой стали Типы (марки) свариваемых материалов Термообработка
Ручная дуговая сварка Сварка под флюсом Сварка в инертных газах (Аг, Не) В процессе сварки После сварки
Тип Марка Марка проволоки Марка проволоки
ЗОХГСНА Э-10Х20Н9ГС Св-08Х21Н10Гб Без подогрева Без гермообработки
12Х2НВФА Э-85 НИАТ-ЗМ Св-18ХМА Св-18ХМА Без подогрева Без термообработки
42Х2ГСНМА Э-85 УОНИ-13/85 Св-20ХСНВФА Подогрев 200...300 “С Закалка-*- отпуск
Глава 9. Среднеуглеродистые и легированные стали...
Материалы и их поведение при сварке
также устраняет образование замедленных холодных
трещин. Для большинства марок сталей отпуск произ-
водится сразу после сварки. Чем более легирована сталь,
тем меньше должен быть перерыв во времени между
окончанием сварки и термообработкой. Если проведе-
ние такого отпуска затруднено или невозможно (напри-
мер, из-за габаритов изделия), то производится общий
или локальный низкий отпуск (250...300 °C), часто на-
зываемый «отдыхом».
Появлению горячих трещин при сварке среднеугле-
родистых и среднелегированных сталей способствуют
повышенное содержание примесей S и Р, чрезмерно
низкие значения погонной энергии сварки (большая
скорость сварки), неблагоприятная форма шва (узкие
швы), а также наличие концентраторов напряжений в
виде непроваров, несплавлений и т. п. Эти обстоятель-
ства необходимо учитывать при выборе основных и сва-
рочных материалов и разработке технологии сварки.
Вопросы для самопроверки
I. К изменению каких свойств стали приводит повы-
шение содержания углерода и легирующих?
2. К каким структурным классам, как правило, отно-
сятся среднеуглеродистые стали ?
3. Охарактеризуйте свариваемость среднеуглеродис-
тых и среднелегированных сталей.
4. Почему в указанных сталях могут возникать замед-
ленные холодные трещины?
5. Укажите технологические пути снижения склонно-
сти этих сталей к холодным трещинам.
6 К какому виду трещин приводит неблагоприятная
форма шва?
110
Глава 9. Среднеуглеродистые и легированные стали...
7. К чему приводит наличие остаточного аустенита в
металле шва ?
8. Почему сварочные материалы обязательно прокали-
ваются и просушиваются при сварке среднеуглеро-
дистых и среднелегированных сталей ?
9. К какому виду трещин приводит высокая скорость
сварки?
===== Глава 10 ==========
ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ
ДЛЯ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР
10.1. Общая характеристика сталей
К сварным сооружениям, использующимся при низ-
ких температурах в течение длительного времени, отно-
сятся холодильные установки, дорожно-строительная
техника, мостовые конструкции, фермы, транспортные
средства, магистральные трубопроводы и т. д., а также
конструкции, эксплуатирующиеся в условиях Крайне-
го Севера, под водой, в космосе. Основными критери-
ями возможности использования конструкционных ма-
териалов и сварных соединений из них для низких
температур являются:
♦ необходимый уровень прочности при нормальной
температуре (20 °C), обеспечивающий надежность
и оптимальную металлоемкость конструкции;
• низкая чувствительность к хрупкому разрушению,
определяемая запасом пластичности и вязкости
при рабочих (низких) температурах;
• технологичность при металлургическом и маши-
ностроительном переделе (свариваемость, штам-
пуемость и т. п.).
В практике создания сварных узлов принято, что при
Т > -100 “С используются низкоуглеродистые и низко-
112
Глава 10. Легированные стали для низких температур
легированные стали ферритно-перлитного, перлитного,
а иногда и бейнитного классов, а при более низких (крио-
генных) температурах — аустенитные, аустенитно-мар-
тенситные стали или цветные сплавы (алюминий, медь).
В данной главе рассматриваются стали первой группы.
К этой группе следует отнести низкоуглеродистые ста-
ли СтЗ сп, Ст20 и низколегированные стали 09Г2Д, 10Г2,
17ГС, 14ХГС, применяемые для Тэксп до —40.,.-50 “С,
и стали 09Г2С, 10ХСНД, 10Г2С1Д, 14Г2САФ, 16Г2САФ,
применяемые для Тэксп до -60 °C.
Эти материалы отличаются заметным изменением
механических свойств при снижении температуры рост
значений ов, от, о_ь снижение значений 5, v, KCU, по-
вышенной чувствительностью к концентраторам напря-
жений.
Определяющей характеристикой этих сталей являет-
ся их способность сопротивляться хрупким разрушениям
при понижении температуры. Поэтому вопросы хладо-
стойкости принято рассматривать в связи с переходом
материала из вязкого в хрупкое состояние в зависимос-
ти от технологических воздействий на него и условий
жсплуатации конструкции.
Экспериментально при таком переходе наблюдается
изменение внешнего вида поверхности излома при ди-
намических (ударных) испытаниях образцов: доля во-
локнистости в площадке разрушения снижается, а доля
зернистости увеличивается. В достаточно узком интер-
вале температур испытаний, разном для различных ма-
рок сталей, доля площади разрушения FH3J1 с волокнис-
тым характером излома (сдвиговая деформация) часто
и {меняется от 100% до нулевой величины, уступая мес-
ю хрупкому зернистому излому (деформация отрыва).
При этом резко снижается величина работы Gc разру-
шения металла. Температуру, при которой поверхность
113
Материалы и их поведение при сварке
разрушения состоит из 50% площади хрупких участков
и 50% вязких участков, принято называть первой кри-
тической Ткр1 температурой хрупкости (рис. 10.1), а по-
казателем сопротивляемости металла хрупкому разру-
шению является значение работы разрушения,
приходящейся на единицу площади, т. е. ударная вяз-
кость KCU (Дж/см2). В практике создания сооружений
условно принято называть температуру, при которой
значение KCU — 25...30 Дж/см2, порогом хладоломкосmu.
Эта температура свидетельствует о принципиальной воз-
можности перехода металла в хрупкое состояние. Одна-
ко такая оценка не является полной. При испытаниях
крупных образцов или увеличении скорости нагружения
эта температура сдвигается вправо (Ткр1' > Ткр)"), т. е. по-
рог хладоломкости повышается на 10...30 °C.
Кипящие низкоуглеродистые стали, легированные
стали с крупным зерном и закаливающиеся стали име-
ют более высокую температуру перехода в хрупкое со-
стояние.
Под влиянием процесса сварки за счет термическо-
го и деформационного воздействия, роста зерна, степе-
ни закалки отдельных участков и т. п. значение Ткр по-
вышается, а значение ударной вязкости KCU для этих
участков сварного соединения снижается. Поэтому зна-
чение ударной вязкости становится одним из основных
критериев применимости (свариваемости) материала
для сварного соединения.
Установлено, что накопление усталости за счет цик-
лических нагрузок, радиационное и коррозионное воз-
действие среды, содержание примесей в шве также мо-
гут способствовать повышению температуры перехода в
хрупкое состояние. Ускоряющим фактором охрупчива-
ния является наличие в сварном соединении концент-
раторов (внешних или внутренних) напряжений, фор-
114
Глава 10. Легированные стали для низких температур
Рис. 10.1. Влияние температуры на переход в хрупкое состояние
ма и размеры которых могут существенно ограничивать
возможность практического применения сварной кон
струкции для тех или иных условий эксплуатации. Ос-
новными концентраторами являются подрезы, непрова-
ры, несплавления, неметаллические включения и
наводораживание шва. Поэтому экспериментальная
оценка сопротивляемости хрупким разрушениям, со-
1ласно ГОСТ 11150—75 и ГОСТ 9454—78, производится
испытанием на ударную вязкость на стандартных образ-
цах с искусственно создаваемыми концентраторами
типа надрезов U-образной или V-образной формы (пос-
ледние предпочтительны для испытаний сварных соеди-
нений).
Несмотря на жесткость подобной оценки охрупчива-
ния, численное значение ударной вязкости не всегда яв-
ляется достаточной характеристикой перехода металла
в хрупкое состояние. Имеются примеры, когда металл
шва имеет значение KCU < 25 Дж/см2, а сварное соеди-
нение работает достаточно долго без хрупких разруше-
115
Материалы и их поведение при сварке
ний. Это объясняется тем, что всякому распростране-
нию трещины предшествует ее зарождение или начало
се движения, если трещина существовала раньше. Ис-
пытания на ударную вязкость оценивают лишь работу
движения трещины. Существуют методики оценки
свойств металла, определяющие его сопротивляемость
началу разрушения.
Известны несколько способов экспериментальной
оценки свойств охрупченного металла сварных соедине-
ний. К ним относятся: силовые, деформационные и
энергетические [8].
10.2. Особенности сварки хладостойких
сталей
Современные способы сварки плавлением и свароч-
ные материалы обеспечивают получение металла шва,
не уступающего по хладостойкости основному металлу,
а в некоторых случаях даже превосходящего его. Одна-
ко условия производства сварочных работ (в помеще-
нии, на воздухе, в приспособлениях или на монтаже и
т. д.), качество и состав основных (кипящая или спокой-
ная сталь, низко- или среднелегированная, горяче- или
холоднокатаная) и сварочных материалов (электроды,
флюсы, газы, их влажность и степень загрязнения), ус-
ловия защиты расплавленного металла в процессе свар-
ки, термомеханическое воздействие процесса сварки на
металл (структура шва, состав и ширина ЗТВ), геомет-
рическая форма шва и конструкция соединения в целом
могут привести к снижению хладостойкости сварных
конструкций. Практически все случаи хрупких разруше-
ний сварных соединений и конструкций, имевших ме-
сто при низких температурах (сосуды, отвалы бульдозе-
116
Глава 10. Легированные стали для низких температур
ров, балки мостов, стрелы экскаваторов, корпуса судов
и т. д.), связаны с низким качеством основных и элект-
родных материалов, дефектами металла швов и наруше-
ниями в технологии изготовления и конструктивного
оформления узлов.
В связи с указанным основными требованиями,
предъявляемыми к выбору сварочных материалов для
сварки хладостойких сталей, являются:
1. Использование присадочных материалов (электро-
дов, проволок, пластин), обеспечивающих высокую
пластичность и вязкость металла швов при низких тем-
пературах. Это достигается применением типов и марок
электродов и проволок, химический состав которых,
в основном, соответствует составам сталей, а режимы
сварки обеспечивают получение ферритно-перлитной
или сорбитной структуры швов. Для низкоутлеродистых
и низколегированных сталей, работающих при Т° до
—40 С и не испытывающих динамических и перемен-
ных нагрузок (СтЗсп, 10Г2, Ст20, 17ГС, 14ХГС), реко-
мендуется применение экономичных электродов типа
>42 и Э46 с рутиловым (ОЗС—4), рутилово-основным
покрытием (МР—3, АНО—4). Для ответственных свар-
ных конструкций из сталей 09Г2С, 10Г2СД, 10ХСНД
применяют электроды с основным покрытием типа
Э46А, Э50, Э50А, марок УОНИ 13/45, УОНИ 13/55,
ДСК— 50, ОЗС—18, а также ЕВ50 «Велер Фокс» и «Га-
рант». Для материалов, работающих при Т° до —60 °C,
можно использовать электроды АНО—9, ЗТМ—2У, ВП—4
и др. Более конкретные рекомендации по выбору элек-
тродов можно получить в литературе [7,8}. Для механи-
зированной сварки указанных сталей под флюсом ис-
пользуются сварочные проволоки Св—08ГА, Св—10Г2,
Св—08ГМ, Св-08ХМА в сочетаниях с флюсами АН—
348А, АН -22, АН—43 и АН—47. Для сварки в углекис-
117
Материалы и их поведение при сварке
лом газе сталей 09Г2Д, 09Г2С, 10Г2С1 и 10ХСНД реко-
мендуются проволоки Св—08Г2С, Св—10Г2С и Св—
12ГС. При выборе и заказе электродов и проволок необ-
ходимо требовать ограничения в них содержание серы до
< 0,02% и фосфора < 0,02%.
2. Обеспечение пониженного содержания влаги в по-
крытиях, флюсах и газах, ведущее к снижению пор в
металле шва. Это осуществляется за счет операций про-
калки и просушки сварочных материалов. В зависимо-
сти от требований к изготовлению сварных узлов эти
операции могут проводиться 1 —2 раза в рабочую смену
или еженедельно. Проведение сварки должно исключать
попадание влаги на свариваемые поверхности.
Перед началом сварки проволоку необходимо очи-
щать от окалины, ржавчины и удалять технологическую
смазку.
3. Специальное легирование металла шва элементами,
обеспечивающими необходимый запас пластичности
швов (Ni. V) и способствующими повышению стойкос-
ти швов к горячим трешинам. Эти характеристики ука-
зываются в справочных данных или стандартах на элек-
троды и проволоки для сварки хладостойких сталей.
Режимы сварки должны обеспечивать минимальные
значения погонной энергии для получения требуемых
стандартами размеров и формы швов. Указанные выше
стали несколько склонны к подкалке, особенно при
повышенных толщинах, поэтому режимы сварки долж-
ны обеспечивать скорости охлаждения сварных соеди-
нений меньше критических. В то же время чрезмерно
высокие значения погонной энергии (низкие скорости
сварки) могут вызвать появление разупрочненных зон в
участках рекристаллизации, что особенно сказывается
на снижении свойств сталей с карбон итридным упроч-
нением (14Г2САФ). Это обстоятельство усложняет вы-
118
Глава 10. Легированные стали для низких температур
бор режимов сварки. Во всех случаях необходимо выби-
рать наименьший возможный диаметр электрода (про-
волоки), чтобы уменьшить долю наплавленного метал-
ла в шве.
Сварку предпочтительнее осуществлять многослой-
ную. Режимы сварки и техника выполнения швов не
должны допускать непроваров, несплавлений, подрезов,
грещин, а форма швов должна исключать появление
резких концентраторов напряжений. Рекомендуется, по
возможности, не использовать угловые и тавровые со-
единения Если это конструктивно невозможно, то сле-
дует после сварки устранять (сглаживать) резкие пере-
ходы от шва к основному металлу.
Эффективным путем устранения охрупчивания и по-
вышения хладостойкости сварных соединений являет-
ся послесварочная термообработка (закалка с высоким
отпуском). Высокий отпуск сварных соединений кроме
восстановления пластичности и устранения эффекта де-
формационного старения снижает остаточные напряже-
ния и накопленную металлом потенциальную энершю.
Нормируемыми, т. е. жестко ограничиваемыми, де-
фектами являются непровары и шлаковые включения,
цепочки пор, трещины. Их размеры и общая протяжен-
ность регулируются отраслевой технической документа -
цией на сварную продукцию. Возможны и другие при-
емы повышения хладостойкости сварных соединений
(предварительное нагружение сварной конструкции,
наложение поля остаточных напряжений, «сглаживаю-
щее» величину концентраторов, магнитно- импульсное
ведение процесса сварки и т. д.). Наиболее простым
приемом, повышающим пластичность и вязкость соеди-
нений, является использование подогревало и в процес-
се сварки. Температура подогрева зависит от содержа-
ния углерода и легирующих и. как правило, находится
119
Материалы и их поведение при сварке
в пределах 80...200 °C. Этот прием существенно снижа -
еттрещинообразование в сварных соединениях и повы-
шает их вязкость.
Об особенностях поведения высоколегированных
криогенных сталей, используемых при криогенных тем-
пературах, и специфики технологии их сварки будет ска-
зано в главе 13.
Вопросы для самопроверки
7 Назовите основные критерии использования сталей
для низких температур.
2. Почему вопросы хладостойкости рассматривают в
связи с переходом в хрупкое состояние?
3. Какие дефекты шва снижают хладостойкость со-
единения ?
4. Назовите основные требования к сварочным мате-
риалам.
5. Какой дефект сварного соединения может вызвать
весьма высокое значение погонной энергии сварки ?
6. Как изменяется температура перехода в хрупкое со-
стояние с изменением содержания углерода в шве?
========== Глава 11 -- =—
ЛЕГИРОВАННЫЕ
ТЕПЛОСТОЙКИЕ СТАЛИ
11.1. Общая характеристика сталей
Теплостойкими или теплоустойчивыми называют
стали, эксплуатирующиеся при температурах до Тэксп =
500...580 °C в течение t — 104.. - 10s ч. По степени легиро-
вания к теплоустойчивым сталям в основном относят-
ся низко- и среднелегированные перлитные стали. Со-
держание углерода в этих сталях составляет 0,08...0,17%.
В соответствии с условиями эксплуатации теплоустой-
чивые стали должны обладать сопротивлением ползучес-
ти, длительной прочностью и жаростойкостью. Обеспе-
чение перечисленных свойств в интервале температур
эксплуатации достигается путем легирования сталей
хромом (0,5...2,0%), молибденом (0,2...1,0%), ванадием
(0,1...0,3%), добавками W, Ti, Si и соответствующей тер-
мообработкой (улучшением).
Известны два основных направления получения тре-
буемого уровня теплостойкости.
Первый путь — обеспечение теплостойкости за счет
структурного упрочнения твердого раствора хромом и
молибденом, что повышает температуру рекристаллиза-
ции железоуглеродистого сплава и снижает интенсив-
ность диффузионных процессов (разупрочнение) при
121
Материалы и их поведение при сварке
высокотемпературной эксплуатации. Кроме того, в про-
цессе длительной эксплуатации при Т = 450...600 °C мо-
либден образует с железом интерметаллид Fe2Mo (фазу
Давоса), что повышает длительную прочность стали за
счет дисперсионного твердения, т. е. созданием на грани-
цах зерен препятствий для движения дислокации. Оп-
тимальным содержанием Мо в стали является 0,4... 1,3%.
Второй путь структурного упрочнения стали — это
введение в сталь сильных карбидообразующих — вана-
дия и ниобия. Эти элементы, находясь в металле в виде
высокодисперсных карбидов VC и NbC, растворенных
в зернах, также повышают длительную прочность ста-
ли. Такие теплоустойчивые стали с карбидным упроч-
нением подвергают полной термической обработке:
закалке на мартенсит и высокому отпуску. Во время пос-
леднего и образуются мелкодисперсные карбиды VC и
NbC. Однако длительная эксплуатация изделий при
Т = 550...600 °C приводит к коагуляции этих карбидов
и их расположению вблизи границ зерен, что ведет к
возможности межзеренного разрушения (охрупчива-
нию) и снижению теплостойкости сталей.
Поэтому для сварных соединений предпочтительным
является первый путь структурного упрочнения сталей,
так как он позволяет получать более пластичный металл
шва по сравнению с карбидным упрочнением и обеспе-
чивает большую стабильность структуры в процессе
длительной эксплуатации.
Разработаны и используется большое число марок
сталей, в которых для упрочнения применяются оба
указанных механизма.
Теплостойкие стали используются для изготовления
сварных узлов парогенераторов, трубопроводных систем
энергетических и нефтехимических установок, атомных
реакторов и т. д. Наиболее известными являются марки
сталей 12ХМ, 12МХ, 15ХМ, 20ХМЛ (Тра6 = 450...550 °C)
122
Глава 11. Легированные теплостойкие стали
и 12Х1МФ, 15Х1МФ, 20ХМФЛ, 12Х2МФЛ и др. (Траб=
550...580 °C). Химический состав и свойства сталей рег-
ламентированы ГОСТ 20072-74 и указаны в литературе
[12]. Оптимальные механические свойства и их стабиль-
ность в течение 100 000 ч (10 лет) обеспечиваются струк-
турой перлита, получаемой после закалки с последую-
щим высоким отпуском или после нормализации.
11.2. Характеристика свариваемости
и рекомендации по сварке
Физическая свариваемость теплоустойчивых сталей,
определяемая отношением металла к плавлению, метал-
лургической обработке и последующей кристаллизации,
не вызывает существенных осложнений, что при совре-
менных сварочных материалах и уровне технологии по-
зволяет обеспечить необходимую стойкость металла
швов против образования горячих трещин и высокие ха-
рактеристики их работоспособности.
Технологическая (иногда называемая тепловой) сварива-
емость осложняется охрупчиванием металла в результате
образования метастабильных (неустойчивых) структур в
участках соединения, нагревавшихся выше температу-
ры Асз, и разупрочнением в участках, нагревавшихся в
интервале температуры A<.3 — температура отпуска ста-
ли. Образование хрупких структур (мартенсита) и сум-
мирование сварочных и эксплуатационных напряжений
могут исчерпать пластичность металла и вызвать разру-
шение конструкции из-за образования холодных тре-
щин как сразу после сварки, так и в течение определен-
ного времени после ее окончания.
Образование закалочных структур во многом опреде-
ляется системой легирования сталей и швов: хромомо-
либденованадиевые стали более склонны к холодным
123
Материалы и их поведение при сварке
трещинам по сравнению с хромомолибденовыми. По-
явлению «замедленных» холодных трещин способству-
ет диффузионно подвижный водород
Улучшение свариваемости (предотвращение холод-
ных трещин) достигается местным или общим сопут-
ствующим подогревом изделия. Подогрев уменьшает
скорость охлаждения металла, снижает напряжения пер-
вого рода, что способствует уменьшению количества об-
разующегося мартенсита. Кроме того, подогрев метал-
ла в процессе сварки способствует эвакуации водорода
из сварного соединения и тем самым увеличивает его
деформационную способность. Однако температура
подогрева соединений должна быть ограничена как по
нижнему, так и по верхнему пределу. Слишком малый
подогрев не устраняет закалочных структур, а боль-
шой — способствует образованию грубой ферритно-
перлитной структуры, что снижает ударную вязкость и
длительную прочность соединении. В некоторых случа-
ях (при больших толщинах) предотвращение образова-
ния холодных трещин и хрупких разрушений сварных
соединений достигается выдержкой их после сварки при
Т = 150...200 °C в течение нескольких часов, необходи-
мых для завершения превращения остаточного аустени-
та и снижения концентрации водорода в шве и ЗТВ.
Как указывалось, технологическую свариваемость ос-
ложняет также разупрочнение зоны термического вли-
яния в участке отпуска. Это происходит потому, что за-
готовки из теплоустойчивых сталей поступают на сварку,
как правило, в термически упрочненном состоянии
(нормализация или закалка с отпуском), а нагрев ука-
занного участка при сварке снимает упрочнение. Сте-
пень разупрочнения определяется уровнем легирования
и тепловым режимом сварки. Чем больше погонная
энергия (большой ток, малая скорость сварки), тем
124
Глава 11. Легированные теплостойкие стали
шире зона и степень разупрочнения. Мягкая разупроч-
ненная ферритная прослойка в зоне термического вли-
яния может явиться причиной локальных разрушений
жестких соединений в процессе эксплуатации.
Устранения разупрочнения можно добиться термооб-
работкой (нормализация + отпуск при Т = 700 вС) пос-
ie сварки.
Появлению локальных хрупких разрушений в про-
цессе длительной эксплуатации при Т = 450 ..600 “С
может способствовать изменение свойств металла в зоне
сплавления из-за интенсивного развития диффузионных
процессов между основным металлом и металлом шва.
Это относится, в первую очередь, к диффузии углерода.
Миграция углерода из стали в шов или наоборот наблю-
дается даже при небольшом различии в легировании их
карбидообразующими элементами, часть из которых
«удерживает» около себя углерод и «вытягивает» его из
зон, где концентрация карбидообразующих элементов
меньшая. Это приводит к образованию в процессе экс-
плуатации обезуглероженной (ферритной) прослойки с
одной стороны линии сплавления и карбидной гряды с
другой, что существенно снижает пластичность соеди-
нения в целом и ведет к его разрушению (пример: сталь
12Х1МФ — шов 10ХЗМ1БФ — со стороны шва по ли-
нии сплавления формируются карбиды, а со стороны
стали — обезуглероженная зона). Указанные обстоятель-
ства требуют, чтобы сварочные материалы обеспечива-
ли состав шва, близкий к химическому составу основ-
ного металла, либо чтобы шов был более аустенитным
(пластичным), чем свариваемый металл.
Общими рекомендациями по всем способам дуговой
сварки являются: обязательная и тщательная зачистка и
подготовка поверхности свариваемых кромок, постоян-
ство тепловых режимов, надежная защита зоны сварки
125
Материалы и их поведение при сварке
и жесткое соблюдение режимов подогрева и термообра-
ботки сварных соединений.
Разделка кромок осуществляется механически или
плазменно-дуговой резкой. Сварку проводят при темпе-
ратуре окружающего воздуха не ниже О “С с предвари-
тельным и сопутствующим местным или общим подо-
гревом (табл. 11.1).
Таблица 11.1
Рекомендуемые температуры подогрева при сварке
и термообработки после сварки
Марка стали Рекомендуемая темпера! ура подогрева Рекомендуемая температура отпуска после сварки
Толщина, мм Т, °C Толщина, мм Т,’С
12.МХ 15МХ До Ю Не требуется До 7 Нс требуется
11..30 150...200 Свыше 7 650...680
С вы ле 30 200...250
12Х1МФ 15Х1М1Ф 20ХМЛ 20ХМФЛ До 6 Не требуется До 4 Не требуется
7.. 30 200. 300 Свыше 4 720...760
Свыше 30 250. .350
Как правило, сварные соединения толщиной менее
10 мм можно не подвергать послесварочной термообра-
ботке. Во всех других случаях она необходима, так как из-
за структурной неоднородности соединения и высоко-
го уровня сварочных напряжений сварные соединения
весьма склонны к трешинообразованию.
Для ручной дуговой сварки используются электроды
с основным (фгористо-кальциевым) покрытием, изго-
товленные из низкоуглеродистой сварочной проволоки
с введением в покрытие легирующих элементов. Покры-
тие такого типа обеспечивает повышенную раскислен-
ность металла шва и низкое содержание водорода. Од-
126
Глава 11. Легированные теплостойкие стали
нако их применение требует тщательной очистки повер-
хности свариваемых кромок от окалины, ржавчины,
масел, прокалки и просушки электродов перед сваркой,
ведения процесса на предельно короткой дуге. Рекомен-
дации по применению электродов представлены в табл.
11.2. Сварка осуществляется на постоянном токе обрат-
ной полярности, а ток выбирается в зависимости от ди-
аметра электрода и положения шва в пространстве.
Таблица 11.2
Электроды для сварки теплостойких сталей
Марка стали Тип электрода Марка электрода Марка стали Тип электрода по ГОСТ 9467-75 Марка электрода
12МХ I5XM 20ХМЛ Э-09Х1М ЦУ 2ХМ ЦЛ-38 H-19 12Х1МФ 15Х1М1Ф 20ХМФЛ Э-09Х1МФ ЦЛ-20 ЦЛ-45 ЦЛ-39
Зазор между свариваемыми кромками заполняется
узкими валиками без поперечных колебаний электрода
с тщательной заваркой кратеров. Если после сварки тер-
мообработка не предусматривается, то для указанных
сгалей используются электроды на никелевой основе
(например, ЦТ-36).
При сварке в защитных газах используются неплавя-
щиеся (вольфрамовые) и плавящиеся электроды в сре-
де инертных газов (аргон, гелий). Аргонодуговая свар-
ка, как правило, используется для выполнения корневых
швов при многослойной сварке стыков трубных элемен-
гов. Сварка в углекислом газе из-за опасности образо-
вания окисных включений в шве применяется только
ш однопроходных швов или заварки дефектов литья с
использованием проволок Св-08ХГСМА и Св—
08ХГСМФА.
127
Материалы и их поведение при сварке
Автоматическую сварку под флюсом используют для
кольцевых (поворотных) и продольных стыков трубо-
проводов, коллекторов, корпусов аппаратов нефтехими-
ческой и атомной промышленности и других изделий с
толщиной стенок более 12...20 мм. При этом использу-
ют проволоки Св-08ХМ, Св~08ХМФА и др. С целью
снижения количества оксидов в швах применяют низ-
коактивныс по Si и Мп флюсы типа ФЦ-11, ФЦ—16,
ФЦ—22. Сварку ведут на постоянном токе обратной
полярности на минимальных погонных энергиях. При
этом скорость сварки не должна превышать 40...45 м/ч,
чтобы предупредить образование холодных трещин.
При всех способах дуговой сварки необходимо обес-
печить максимальное приближение химического соста-
ва шва к основному металлу.
Другим «слабым» местом соединения из теплоус гой-
чивых сталей являются участки охрупчивания (зоны ро-
ста зерна и закалки). Такие участки всегда присутствуют
в сварном соединении, но их ширина и степень охруп-
чивания (оцениваемая по значению KCU или Ткр) в не-
которой степени могут регулироваться за счет выбора
способа и режимов сварки. В большей степени охруп-
чивание зависит от качества исходного металла (чисто-
та по примесям, вид улучшающей термообработки).
Действенным средством улучшения свойств всего свар-
ного соединения является своевременно проведенный
высокий отпуск (Тотп = 670...710 °C).
Вопросы для самопроверки
1. Какими основными характеристиками должны об-
ладать теплостойкие стали?
2. Назовите легирующие, обеспечивающие теплостой-
кость стали.
128
Глава 11. Легированные теплостойкие стали
3. Назовите два основных направления обеспечения
длительной прочности теплостойких сталей.
4. Что такое фазы Лавеса и как они воздействуют на
свойства стали?
5. Назовите основные проблемы свариваемости тепло-
стойких сталей.
6. К чему приводит значительная разница в легирова-
нии шва и основного металла ?
7. Для чего рекомендуется подогрев при сварке?
8. Почему при сварке теплостойких сталей под флю-
сом рекомендуются низкоактивные флюсы?
9. Дзя чего рекомендуется высокий отпуск после сварки ?
5 Зак 61
Глава 8
УГЛЕРОДИСТЫЕ
И УГЛЕРОДИСТО-МАРГАНЦЕВЫЕ
(НИЗКОЛЕГИРОВАННЫЕ) СТАЛИ
И ИХ СВАРИВАЕМОСТЬ
8.1. Общая характеристика сталей
Для сварных конструкций общего назначения приме-
няют конструкционные углеродистые стали обыкновен-
ного качества (ГОСТ 380—94).
Углеродистую сталь обыкновенного качества по
ГОСТ 380—94 изготовляют 20 марок: Ст1кп, Ст2кп,
СтЗпс, СтЗГпс и т. д. Эти стали экономичны, однако со-
держат повышенное количество примесей, газов и не-
металлических включений, снижающих их механичес-
кие и технологические свойства. Структура этих сталей
в состоянии поставки — феррито-перлитная.
Повышение технологических свойств сталей (обраба -
тываемость, штампуемость, свариваемость и т. д.) дос-
тигается использованием качественных углеродистых
сталей, отличающихся пониженным содержанием Р и S.
К этим сталям, согласно ГОСТ 1054—84, относятся 26 ма-
рок: 08кп, 10, 15, 20, 30, 45 и т. д. Содержание вредных
примесей (S и Р) в них допускается не более 0,035% каж-
дого. Структура — феррит + перлит. Качественные ста-
76
Глава 8. Углеродистые и углеродисто-марганцевые...
ли чаше всего применяют в горячекатаном, нормализо-
ванном и улучшенном (закалка + отпуск) состояниях.
Химические составы, механические свойства, нормиру-
емые показатели свойств указанных сталей приведены
в указанных ГОСТах и могут быть определены по спра-
вочникам-каталогам [8].
В сварных конструкциях ответственного назначения
для снижения их веса (иногда до 30%) за счет более вы-
сокой прочности материала используют конструкцион-
ные низколегированные стали, выпускаемые по ГОСТ
19281—89, 19282—73, и многочисленным специальным
техническим условиям. Стали легируют таким образом,
чтобы повышение значений ап и ат сопровождалось со-
хранением достаточной пластичности 8, ударной вязко-
сти KCU и обеспечивалась бы удовлетворительная сва-
риваемость. Основными легирующими в этих сталях
являются марганец и кремний, поэтому их часто назы-
вают углеродисто-марганцевыми или кремнемарганцевы-
ми. Суммарное содержание всех легирующих в сталях
составляет не более 2...4% и распределяется примерно
следующим образом: Мп < 2,0%, Si < 0,7...! ,1%, Сг, Ni,
Си < 0,3% каждого. Упрочнение сталей достигается как
за счет легирования твердого раствора и образования хи-
мических соединений, так и применения соответству-
ющей термообработки. Примерами таких сталей могут
служить 09Г2, 09Г2С, 09Г2Д, 14Г2, 17ГС, 10Г2С1,
10ХСНД.
Все низколегированные стали, содержащие Мп и Si,
поставляются, как правило, в термически обработанном
состоянии (закалка + отпуск), что существенно улучша-
ет их вязкость, особенно при низких температурах (при
Т = —40 °C ударная вязкость KCU > 30 Дж/см2). Струк-
тура этих сталей в состоянии посгавки феррито-перлитная
или перлитная, а после закалки с отпуском — сорбитная.
77
Материалы и их поведение при сварке
Данные о составе и механических свойствах этих сталей
подробно указаны в справочной литературе [8].
Углеродистые и углеродисто-марганцевые низколеги-
рованные стали рекомендуются для сварки элементов
строительных сооружений, подъемно-транспортных ус-
тройств и дорожных машин, оборудования нефтяной и
газовой промышленности, судов, трубопроводов раз-
личного назначения, сельскохозяйственных машин, ав-
томобильного и железнодорожного транспорта и т. д.
Температурная область их использования охватывает ин-
тервал от —40 °C до +425 °C для углеродистых и от —70 °C
до +475 °C для низколегированных сталей.
8.2. Свариваемость углеродистых
и углеродисто-марганцевых сталей
Основным требованием к сварным соединениям из
углеродистых сталей является обеспечение их равно-
прочности с основным металлом и отсутствие дефектов
в сварном соединении (трещины, непровары, подрезы,
поры) Размеры и форма швов должны соответствовать
требованиям стандартов, а соединение должно быть
стойким против перехода в хрупкое сосгоянис.
С этой точки зрения все низкоуглеродистыс стали об-
ладают хорошей (достаточной) свариваемостью. Суще-
ствующие способы сварки плавлением обеспечивают
выполнение установленных требований как за счет
обеспечения химического состава шва, так и за счет по-
лучения необходимой его структуры без дополнитель-
ных мероприятий, усложняющих технологию. В каче-
стве электродных материалов используют электроды
типов Э38...Э50 и проволоку марок Св—08, Св—08А,
Св—10Г2 и т. д., а тепловые режимы разных способов
сварки варьируют в широких пределах.
78
Глава 8. Углеродистые и углеродисто-марганцевые...
Химический состав шва из указанных сталей зависит
также и от долей участия основного и электродного ме-
таллов и от степени взаимодействия металла шва с га-
зовой фазой. Некоторое снижение прочности шва (из-
за выгорания углерода) компенсируется легирующими
элементами из проволоки (электрода) и повышенной
скоростью охлаждения. В последнем случае несколько
снижается пластичность соединения.
Структура металла шва и околошовной зоны кроме
химического состава зависит от тепловых режимов свар-
ки, характера предыдущей термообработки основного
металла и последующей термообработки сварного со-
единения.
Режим сварки определяет основные параметры терми-
ческого цикла, показанные на рис. 5.2 (wH, t' + t",
свохл), от численных значений которых в конечном сче-
те зависят структура и свойства сварного соединения.
Существует мнение, что у большинства конструкци-
онных углеродистых и углеродисто-марганцовистых ста-
лей структурные превращения, определяющие свойства
соединений, протекают в течение времени пребывания
металла в интервале температур 800...500 °C [9]. Поэто-
му основной характеристикой термического цикла,
формирующей структуру, является время пребывания ме-
талла t8_5 в этом интервале температур. Значения време-
ни t8_5 можно определить расчетом либо путем модели-
рования термического цикла сварки. Знание величины
t8_5 позволяет определять характер структуры, а следо-
вательно, свойства шва или соединения.
Металл шва и зоны термического влияния в рассмат-
риваемых сталях при всех способах дуговой сварки име-
ет, как правило, ферритно-перлитную структуру, так как
значения погонной энергии сварки и зависящего от нес
значения t8_5 достаточно, чтобы обеспечить при охлаж-
дении практически полный распад аустенита на феррит-
79
Материалы и их поведение при сварке
но-карбидную смесь. При этом в зависимости от скоро-
сти охлаждения структура может различаться степенью
дисперсности, характером строения, количественным
соотношением фаз.
Кристаллизационные трещины в швах возможны
лишь при использовании кипящих сталей или при не-
благоприятной форме шва (угловые швы, корневые
швы, швы со сквозным проплавлением и малой шири-
ной, когда ц/ш< 0,8... 1,2). Однако при содержании угле-
рода на верхнем пределе для данной группы сталей (С —
0,25%) образование горячих трещин вполне вероятно
даже при соблюдении всех технологических приемов
сварки.
Холодные трещины в низкоуглеродистых сталях, как
правило, появляются лишь в толстостенных сварных со-
единениях.
Металл mhoi ослойных швов имеет, как правило, бо-
лее благоприятную структуру (более мелкую) за счет тер-
моциклирования металла предыдущих швов.
При сварке низколегированных (углеродиспю-марганце-
вых) сталей исходные свойства металла шва и зоны тер-
мического влияния изменяются более значительно по
сравнению с низкоуглеродистыми сталями. Это проис-
ходит из-за появления закалочных структур на участках
перегрева и нормализации, особенно при повышенных
количествах легирующих Мп. Cr, Ni в сталях, так как эти
элементы существенно снижают критические скорости
охлаждения. Степень разупрочнения сварного соедине-
ния в зоне рекристаллизации также более значительна
по сравнению с углеродистыми сталями: чем выше была
исходная прочность, тем резче проявляется эффект раз-
упрочнения.
Все это не позволяет получить равнопрочные соедине-
ния и требует дополнительных мер для обеспечения тре-
80
Глава 8. Углеродистые и углеродисто-марганцевые...
буемого уровня свойств. Например, повышение погон-
ной энергии (снижение скорости сварки) сопровожда-
ется расширением разупрочненной зоны и появлением
холодных трещин у линии сплавления из-за повышен-
ного роста зерна. Кроме того, на участках, нагревающих-
ся до Т = 250...300 °C, проявляется эффект деформаци-
онного старения, охрупчивающий соединение.
Выравнивание и улучшение свойств сварных соеди-
нений из низколегированных сталей эффективно дос-
тигается послесварочной термообработкой — нормали-
зацией. Для избежания появления холодных трещин в
сварных соединениях часто используют подогрев, тем-
пература которого зависит от химического состава ста-
ли, толщины соединения, жесткости конструкции и т. д.
Температуру подогрева можно определять расчетом,
исходя из значения углеродного эквивалента Сэкв для
основного металла или металла шва. Чтобы практичес-
ки оценить свариваемость (склонность металла к трещи-
нам), необходимо использовать технологические пробы
или пробы специального назначения.
Для сварных конструкций, эксплуатирующихся пре-
имущественно в условиях динамического нагружения
или под воздействием низких или повышенных темпе-
ратур, часто используются углеродисто-марганцевые
низколегированные стали, содержание углерода в кото-
рых увеличено по сравнению с рассмотренными выше
(С = 0,25...0,5%), а содержание легирующих элементов
достигает 3...4%. Такие стали и сварные соединения из
них при соответствующей термообработке характеризу-
ются высокой прочностью (ор= 600...1500 МПа) и об-
ладают комплексом требуемых специальных свойств.
Отличитепьной особенностью их свариваемости являет-
ся повышенная склонность к закалке, в связи с чем они
весьма чувствительны к термическому циклу сварки во
81
Материалы и их поведение при сварке
всем диапазоне погонных энергий (режимов сварки),
обеспечивающих удовлетворительное формирование
шва. Структура околошовной зоны этих сталей облада-
ет низкими пластическими свойствами и склонна к ох-
рупчиванию. Основным параметром термического цик-
ла, контролирующим этот процесс, является скорость
охлаждения соохл, которая, как правило, превышает зна-
чения критической (допустимой) скорости сокр. Для сни-
жения ее величины необходим предварительный и со-
путствующий подогрев, что усложняет технологию
сварки и делает эти стали удовлетворительно или огра-
ниченно свариваемыми. Это требует того, что при опре-
делении свариваемости материала для сварной конструк-
ции заданного назначения требуется более тщательно
производить выбор способов, режимов сварки, свароч-
ных материалов и на основе сравнительных испытаний
технологических проб на холодные трещины выбирать
оптимальный вариант технологии.
8.3. Особенности трещинообразования
Одним из наиболее опасных проявлений недостаточ-
ной свариваемости сталей любой степени легирования,
в том числе углеродистых, низколегированных незака -
ливающихся и закаливающихся, является, как указыва-
лось, образование трещин в металле шва, околошовной
зоне и зоне термического влияния.
Трещины представляют собой локальные разрушения,
возникающие в результате развития вязко- или упруго-
пластических деформаций и одновременного резкого
снижения способности материалов выдерживать без
разрушения термомеханические воздействия в процес-
се или после создания сварной конструкции. К ним в
процессе эксплуатации могут добавляться и другие воз-
82
Глава 8. Углеродистые и углеродисто-марганцевые...
действия: от динамических и статических нагрузок, от
проведения смежных со сваркой операций гибки, штам-
повки, правки и т. д.
Можно выделить три основных фактора образования
трешин при сварке:
• металлургический, связанный с материалом свар-
ного соединения, и физико-химический, связан-
ный с воздействием на него процесса сварки;
• технологический, определяемый методом, режи-
мом, последовательностью и приемами выполне-
ния сварки;
• конструктивный, зависящий от жесткости и ха-
рактера нагружения конструкции, типов швов и
форм соединений и т. д.
Исходя из указанного можно утверждать, что показа-
телями свариваемости могут быть склонность к образова-
нию трещин, стойкость против образования трещин и
сопротивляемость образованию трещин. Именно эти по-
казатели используются в практике сварочного производ-
ства. Их численные значения определяются эксперимен-
тальным путем (технологические пробы), а в последние
годы при проектировании технологии для их определе-
ния часто находят применение и расчетные способы.
Независимо от причин и времени появления трещин
в сварных соединениях проблема заключается не только
в необходимости проведения работ по их устранению, но
в потенциальной возможности роста неустраненных тре-
щин малых размеров (длины) до критических размеров,
после которых наступает внезапное разрушение всей
конструкции. Подробную информацию об условиях ро-
ста трещин можно получить в курсе «Прочность свар-
ных конструкций».
Трещины в сварных соединениях в зависимости от
температурного интервала их образования можно разде-
лить на следующие виды:
83
Материалы и их поведение при сварке
1. Горячие трещины, образующиеся в процессе охлаж-
дения и кристаллизации жидкого металла шва или
участка частичного оплавления околошовной
зоны, находившихся в интервале температур твер-
дожидкого состояния на этапе развития межзерен-
ной деформации.
2. Холодные трещины, образующиеся после остывания
сварного соединения до температур 300... 150 С и
ниже вследствие неблагоприятных фазово-струк-
турных превращений металла под действием тер-
мического цикла или из-за чрезмерного насыще-
ния металла водородом.
Указанное разделение на виды в определенной сте-
пени является условным, так как зародиться трещина
может как горячая, а распространяться как холодная.
8.3.1. Горячие трещины
Подобные трещины являются одним из видов высоко-
температурных межкристаллитных разрушений. Главной
причиной их образования в соответствии с современны-
ми представлениями [4, 7] является снижение технологи-
ческой прочности металла в процессе кристаллизации, оп-
ределяющееся величиной температурного интервала
хрупкости (ТИХ) металла шва, его пластичностью 6 в этом
интервале и нарастающим темпом деформации шва и при-
легающих к нему участков околошовной зоны. Взаимо-
связь этих параметров и схема возникновения горячих
трещин представлены на рис. 8.1.
Из схемы становится понятным, что вероятность за-
рождения горячих трещин зависит от:
1) величины (ширины) интервала кристаллизации
сплава (шва) Тлик — Тсол и связанной с ним вели-
84
Глава 8. Углеродистые и углеродисто-марганцевые...
Рис. 8.1. Изменение деформационной способности сплавов
в области высоких температур: Ткг, Твг — нижняя и верхняя границы
температурного интервала хрупкости; Тсол, ТЛ11К — температуры
солидуса и ликвидуса; есум — суммарный темп деформации;
5min — минимальная пластичность; п — запас пластичности,
n = Smjn — Есум; ов — предел прочности; р — коэффициент
вязкости металла.
чины температурного интервала хрупкости ТИХ
(зависит от состава свариваемого сплава, степени
легирования, состава шва и примесей в нем, до-
лей участия основного и наплавленного металла в
шве и т. п.);
2) величины минимальной пластичности 5nijn (зави-
сит от состава шва, размеров кристаллитов, на-
правления их роста в ванне, формы шва и режи-
мов сварки);
3) темпа нарастания упругопластических деформа-
ций в процессе охлаждения сварного соединения
от высоких температур есум (зависит от скорости
охлаждения металла, т. е. режимов сварки, жестко-
сти сварной конструкции, последовательности вы-
полнения сварных швов и т. п.).
85
Материалы и их поведение при сварке
Исходя из указанных причин появления трещин, рас-
смотрим влияние химического состава, технологических
и конструктивных факторов на образование горячих
трещин при сварке.
Химический состав шва оказывает первостепенное
влияние на стойкость шва против образования горячих
трещин, так как он определяет ширину ТИХ и величи-
ну минимальной пластичности 5min. Известно, что леги-
рующие элементы, входящие в состав металла шва, ус-
ловно можно разделить на три группы:
1) уменьшающие стойкость металла против кристалли-
зационных трещин (S, Р, РЬ) и попадающие в шов
из основного и электродного металлов и флюсов;
2) уменьшающие или увеличивающие стойкость
против образования кристаллизационных трещин
в зависимости от их концентрации и взаимного
сочетания (С, Мп, Si и др.). Окислы элементов,
попадающие в шов из-за недостаточной защиты
сварочной ванны, увеличивают вероятность тре-
щинообразования;
3) не влияющие на образование кристаллизацион-
ных трещин (Si в малых количествах).
Как правило, чем более легированный шов или он
более загрязнен примесями, тем шире ТИХ и выше
склонность металла шва к горячим трещинам, т. е. го-
рячие трещины являются более характерными для леги-
рованных сталей.
Форма сварочной ванны, определяющаяся параметра
ми режима сварки, изменяет направление роста столб-
чатых кристаллитов, характер их срастания в срединной
части шва и степень локального скопления эвтектики и
неметаллических включений, что прямо отражается на
снижении трещиностоикости металла шва
Форма шва характеризуется коэффициентом формы
Wi =c/h При у(|| "0,8... 1,2(ужин инн корневой топ)кри
Глава 8. Углеродистые и углеродисто-марганцевые...
стеллиты срастаются под углом близким к 180° (рис. 8.2, а),
что ведет к образованию трещин в срединной части шва.
При \|/ш = 1,3...4,0 кристаллиты встречаются под острым
углом и легкоплавкие составляющие распределяются бо-
лее равномерно по сечению шва, что снижает трещино-
образование (рис. 8.2, б). При > 4,0 (широкий напла-
вочный шов) кристаллиты растут «параллельно» друг
другу и это существенно усиливает склонность к горя-
чим трещинам (рис. 8.2, в).
Снижение темпа есум нарастающих деформаций, а сле-
довательно, и уровня растягивающих напряжений в про-
цессе кристаллизации сварочной ванны существенно
повышает стойкость шва против кристаллизационных
грещин (8 Зсум < £ |сум, см. рис. 8.1).
= 0,8-1,2
а
Vh — 1,3—3,6
б
V, > 4,0
в
Рис 8.2. Различные схемы кристаллизации шва влияющие на
||<нц)||гние горячих трещин: е — ширина шва, g — высота шва;
11 — глубина проплавления
Материалы и их поведение при сварке
Оно достигается за счет технологических мер, реали-
зуемых при сварке (оптимизация состава шва, рацио-
нальный порядок наложения швов, выбор рациональ-
ных способов и режимов сварки) и рационального
конструирования сварных узлов (рассредоточенность
расположения швов, типы сварных соединений и т. п.).
Предварительный подогрев, в частности, является одним
из эффективных, хотя и дорогих средств устранения го-
рячих трещин. Уровень подогрева во многом определя-
ется содержанием углерода и легирующих в свариваемых
деталях и находится в интервале 150...500 °C.
Размер первичных кристаллитов влияет на количество
плоскостей скольжения и поворот кристаллитов в про-
цессе высокотемпературной деформации. Чем больше
кристаллов в объеме шва (мельче зерно), тем выше пла-
стичность металла и меньше возможность образования
трещин. Кроме этого мелкозернистость шва снижает
степень химической неоднородности, т. е. уменьшает
концентрацию вредных примесей по границам кристал-
литов, что благоприятно сказывается на повышении
трещи ностойкости.
Способы и критерии оценки свариваемости сталей и
влияния технологии сварки на образование горячих тре-
щин могут быть прямыми и косвенными.
При прямых способах металл шва и зону сплавления
подвергают высокотемпературному машинному дефор-
мированию с приложением внешних сил в процессе
сварки. Испытания проводят согласно ГОСТ 26398-84,
подвергая образцы стандартных размеров растяжению
или изгибу с имитацией сварочного цикла или без него.
Процедура испытания предусматривает их деформиро-
вание с регулируемой скоростью перемещения захватов
машины (скоростью деформации) вплоть до появления
горячих трещин. Сварку проводят на определенных ре-
88
Глава 8. Углеродистые и углеродисто-марганцевые...
жимах для заданного типа соединения и толщины ме-
талла. Как правило, выбранную эффективную тепловую
мощность режима сохраняют неизменной, а изменяют
скорость сварки. Типовые формы образцов и схемы дей-
ствия сил при испытаниях указаны на рис. 8.3. По ре-
зультатам испытаний определяют критическую скорость
Вкр (темп деформации), которую и принимают за срав-
нительный количественный показатель conpomuвляемо-
emu образованию горячих трещин (VKp, мм/с) при задан-
ном режиме сварки. При изменении химического
состава стали или шва изменяется величина Вкр: чем
сложнее состав, тем меньше значение Вкр.
Тавровые образцы
Стыковые образцы
Рис. 8.3. Схемы действия сил при машинных испытаниях
на сопротивляемость горячим трещинам тавровых
и стыковых образцов
89
Материалы и их поведение при сварке
Более простыми прямыми способами оценки склонно-
сти к горячим трещинам являются технологические
пробы. При этом оценивается воздействие на металл
шва деформации от усадки и формоизменения сварива-
емых образцов заданных размеров. Некоторые схемы
технологических проб приведены на рис. 8.4 и 8.5.
б
Рис. 8.4. Технологические пробы МГТУ (а) и ИМЕТ (6) на
склонность основного металла к горячим трещинам:
1 — испытуемый образец; 2 — медный поддон;
3 — источник нагрева
90
Глава 3. Углеродистые и углеродисто-марганцевые...
7777^77777
е
Рис. 8.5. Технологические пробы на склонность швов к горячим
трещинам: в) проба МГТУ; г) проба ЛТП МГТУ); д) проба
«жесткий тавр»; е) проба ИМЕТ; ж) проба «лихайская»;
з) проба «вварыш»
91
Материалы и их поведение при сварке
Качественными критериями оценки свариваемости
является наличие горячих трешин или их отсутствие,
а количественно они определяются, например, числом
трещин на единицу длины шва, суммарной длиной тре-
щины, отношением площади трешин к площади шва,
шириной проб, наличием на них искусственно создан-
ных надрезов.
При косвенных способах (расчетно-статистических,
расчетно-экспериментальных) склонность (или стой-
кость) металла шва к горячим трещинам оценивается по
его химсоставу следующими показателями:
1. Углеродный эквивалент материала или шва
Р 5/-0,4 Л//?-0,8 Ni Сг-Ъ$
Ст = С. + 2S + — +----— +---------+ — +--------
»» Ф о 7 о С 1 л
(8.2)
При значении Сэкп< 0,35...0,4 и фактическом содер-
жании углерода Сф< 0,16 горячих трещин в металле шва,
как правило, не имеется
2. Показатель трещинообразования
Si
Ni
Сф\ S4P + -- + — 1-10
HCS =
25 100
ЗМи+Сг+ Мо+У
(8.3)
При HCS = 4 металл шва не склонен к горячим тре-
щинам для сталей с ов< 700 МПа и при HCS < 2 для ста-
лей с ов > 700 МПа.
Известны и другие расчетно-статистические способы
оценки склонности швов к горячим трещинам [4, 7]. За-
метим. что наибольшей склонностью к горячим трещи-
нам обладают высоколегированные и разнородные ста-
ли, о чем будет сказано в гл. 13, 14, 15.
92
Глава 8. Углеродистые и углеродисто-марганцевые...
8.3.2. Холодные трещины
Такие трещины являются локальными хрупкими раз-
рушениями межкристаллитного (внутризере иного) и
транскристаллитного (межзеренного) характера, возни-
кающими в шве и зоне термического влияния сварного
соединения при его остывании до температур ниже
300 ..150 °C вследствие неблагоприятного изменения
структуры и свойств металла. Формальными их призна-
ками являются большая по сравнению с горячими тре-
щинами протяженность, перпендикулярное или парал-
лельное по отношению к шву расположение и блестящий
кристаллический излом без следов высокотемператур-
ного окисления. Принятые в сварочной практике назва-
ния холодных трешин в зависимости от их расположе-
ния показаны на рис. 8 6.
Рис. 8.6. Виды холодных трещин: а) в зависимости ог ориентации
по отношению к сварочному шву 1 — продольные в шве:
3 — частоколы; 6 — поперечные в шве; б) по морфологии трещин:
2 — отколы; 4 — отрывы по зоне сплавления; 5 — ламелярные
93
Материалы и их поведение при сварке
К образованию холодных трещин склонны углероди-
стые, закаливающиеся низко- и все среднелегированные
стали, а также часть высоколегированных термически
обрабатываемых сталей, титановые и алюминиевые
сплавы.
Особенностями возникновения и развития холодных
трещин являются:
1) наличие подготовительного и инкубационного пе-
риодов, определяющих время до появления очага
разрушения и его развития до субмикротрещины;
2) определенный уровень прочности материала в со-
стоянии после сварки, при котором происходит
превращение субмикротрешины в трещину, на-
блюдаемую визуально.
По современным представлениям определяющими
для образования холодных трещин являются три причи-
ны: структурный (закалочный) фактор, насыщение ме-
талла водородом и повышенный уровень напряжений
первого рода.
Переход исходной структуры в закалочную (появление
достаточного количества мартенсита) происходит на
участках полной или частичной перекристаллизации
(закалки) металла сварного соединения (см. рис. 5.1).
Закалка характерна для низколегированных сталей пер-
литного класса с содержанием углерода более 0,25%
и особенно резко проявляется в среднеуглеродистых и
среднелегированных сталях перлитного, мартенситного
и бейнитного классов. Закалочная гипотеза хорошо со-
гласуется с опытными данными для однопроходных
швов из сталей этих классов, но не всегда подтвержда-
ется при сварке сталей других структурных классов.
Использование «структурного фактора» не объясняет
появления ламелярных трещин, возникающих из-за
уменьшения сцепления неметаллических включений
94
Глава 8. Углеродистые и углеродисто-марганцевые...
(FeS) с матрицей сплавов при нагреве и возникновения
трещин в виде расслоений по толщине металла.
При многослойной сварке на первичную закалку на-
кладываются процессы повторной закалки, различных
стадий отпуска, видов старения и т. д., что может вызы-
вать трещины повторного нагрева. Этот процесс объяс-
няется, по-видимому, сегрегационными и фазовыми
выделениями, приводящими к ухудшению свойств ме-
талла шва или околошовной зоны (коагуляции карби-
дов, выделение по границам зерен интерметаллидов и
т. п.). При многослойной сварке литых сталей образо-
вание холодных трещин связывают с процессами дефор-
мационного старения при Т — 200...300 °C [101.
Несмотря на указанное, «структурный фактор» ши-
роко используется для предварительной качественной
оценки свариваемости (склонности к холодным трещи-
нам) экспериментальными (по твердости) и расчетно-
статистическими (по значению Сэкв) методами.
Водород, которым насыщается металл сварного шва из
атмосферы дуги, из основного и электродного металла, яв-
ляется другим важным фактором, обусловливающим обра-
зования холодных трещин. Это явление часто называют во-
дородной хрупкостью. Причинами, обусловливающими
появление холодных трещин в этом случае, являются:
1) способность диффузионного накопления водоро-
да в микрообъемах металла шва и околошовной
зоны, связанного с дефектами структурного харак-
тера. С точки зрения уменьшения скорости диф-
фузии водорода в углеродистых сталях структуры
металла можно расположить в такой последова-
тельности: перлит пластинчатый, сорбит, перлит
зернистый, троостит, бейнит нижний и мартенсит.
Значит, в мартенситной структуре возможно наи-
большее накопление водорода;
95
Материалы и их поведение при сварке
2) наличие определенного минимума диффузионно-
го водорода в зоне сварного соединения, источни-
ком которого при сварке является преимуществен-
но металл шва, т. е. [Н] >30 см3/100 г. н.м.;
3) определенный уровень растягивающих напряже-
ний в зоне сварного соединения.
При остывании сварочном ванны водород диффун-
дирует к ее поверхности и в зону термического влияния.
Максимальная диффузия наблюдается в период поли-
морфного превращения у -> а из-за резкого снижения
растворимости водорода в феррите. Переходя при Т =
= 200 °C из атомарного в молекулярную форму и адсор-
бируясь на свободных поверхностях дефектов структу-
ры, водород создает в локальных объемах металла повы-
шенные давления, исчерпывая его деформационную
способность и вызывая микронадрывы, т. е очаги тре-
щин. Их дальнейший рост приводит к возникновению
макротрещин. Наличие в структуре неметаллических
включений (оксидов, нитридов, шлаков) облегчает рост
трещин и их продвижение из шва в зону термовлияния.
Процесс изменения концентрации водорода в шве и
зоне термического влияния происходит в течение неко-
торого времени. Поэтому такие грещины часто называ-
ют замедленными [10, И].
Высокий уровень напряжений (I и II рода) катализирует
появление холодных трещин. Физическая сущность
процесса состоит в деформировании структуры наибо-
лее «слабого» участка, изменении длины границ зерен
и создании условий для ускоренного развития трещин
до критических размеров. Именно поэтому появление
холодных трещин в сварных соединениях большой тол-
щины вероятнее, чем в малых.
Из сказанного следует, что процесс образования и
развития холодных трещин многозависим от целого
96
Глава 8. Углеродистые и умеродисто-марганцевые...
ряда конструктивных и технологических факторов про-
цесса сварки. Установление этих зависимостей для конк-
ретных марок сталей и типов конструкций часто является
дискуссионным идо настоящего времени однозначно не
всегда решаемым вопросом.
Способы и критерии оценки склонности к холодным
трещинам классифицируются по:
1) характеру процедуры оценки — на косвенные и
прямые;
2) характеру показателей — на качественные, полу-
количественные и количественные;
3) характеру использования показателей — сравни-
тельные и прикладные.
Косвенные способы позволяют произвести оценку
склонности сварного соединения к холодным трещинам
расчетным путем без испытания материалов, а пря-
мые — предусматривают сварку технологических проб.
Критерии оценки (показатели свариваемости) выра-
жаются величиной одного или нескольких параметров,
обусловливающих образование трещин. Они могут быть
качественные («склонны», «не склонны») или количе-
ственные, имеющие численное выражение параметра,
контролирующего процесс образования трещин.
Расчетные методы оценки склонности к холодным
трещинам используют параметрические уравнения, по-
лученные статистической обработкой эксперименталь-
ных данных. Они связывают входные параметры (хими-
ческий состав, режимы сварки, тип соединения) с
выходными параметрами (температура подогрева, пока-
затель склонности). При этом часто затруднительно ис-
пользовать все многообразие факторов, определяющих
образование холодных трещин.
В настоящее время используются следующие пара-
метрические зависимости:
4. Зак 61
97
Материалы и их поведение при сварке
1. Значение эквивалента углерода Сэкв
, „ Мп Si Ni Cr Mo V o
,КЯ = СЛ +—+ — + — +—+— +—+ 55, (8 4)
ЭАв ф 6 24 10 5 4 14 ’ 7
где С, Мп, Si, Ni, Cr, Mo, V — символы элементов и их
содержание в %.
Стали, у которых Сэкв> 0,45, считаются потенциаль-
но склонными к холодным трещинам. Действительная
склонность сварных соединений к холодным трещинам
может быть определена в том случае, если известен уро-
вень насыщения водородом и величины рабочих напря-
жений. Для нелегированных и низколегированных ста-
лей, у которых содержание углерода прямо влияет на
твердость (для них HV < 350), расчетную оценку склон-
ности к холодным трещинам можно произвести по ве-
личине HVmax, определяемой по нижеприведенному
уравнению, в котором содержание элементов представ-
лено в процентах:
HVmax= 90 + 1050С + 47Si + 75Mn + 30Ni + 31Сг
Если HVmax > 350, то при сварке сталей вероятно об-
разование холодных трещин.
2. Параметр трещинообразования
Р =р
“ 60 40
(8.5)
, _ Si Мп Си М Mo V с _
см ф 30 20 20 60 15 15
(8.6)
где Рст — коэффициент, учитывающий структурные пре-
вращения, т. е. по существу расчетные значения Сэкв, %;
Нгл — количество диффузионного водорода в металле
шва, см3/100 г.н.м. Нгл должно быть меньше Ндоп; Ндоп —
нормируемый показатель содержания водорода; К — ко-
98
Глава 8. Углеродистые и углеродисто-марганцевые...
эффициент интенсивности жесткости соединения, учи-
тывающий значение qn, т. е. режим сварки, и определя-
ющийся как К = Ко 5, Н/мм2; Ко — постоянная, имею-
щая в зависимости от марки стали численное значение в
пределах 200... 1000, Н/мм2мм; 5 — толщина металла, мм.
При Рш > 0,286 потенциально возможно образование
холодных трещин.
Приведенные значения Сэкв и Рю часто используют
для расчетного определения температуры подогрева Т с
целью предупреждения или исключения холодных тре-
щин:
гм = 500^1 fC„J-0.45. с. (8.7)
1де [Сэкв ] = Сэкв(1 + 0,0056); 5 — толщина, мм или (с уче-
том формулы 8.5) Т1|ОД = 1440; Рш — 392 °C.
3. Расчет стойкости против образования холодных
трещин на основе математических моделей процесса,
сопоставляющих действительные и критические значе-
ния факторов трещинообразования (структура, водород,
напряжения) и определение интервала значений погон-
ной энергии (режимы сварки), температуры подогрева,
содержания водорода и жесткости сварного соединения,
которые обеспечивают отсутствие холодных трещин.
К прямым (экспериментальным) способам оценки
склонности металла сварных соединений к холодным
трещинам относятся сварочные технологические пробы,
разделяющиеся на пробы лабораторного и отраслевого
назначения. Первые дают сравнительную оценку матери-
алам и технологическим вариантам сварки безотноситель-
но к виду сварных конструкций, а вторые — учитывают
вид конструкции, последовательность наложения сварных
швов, климатические условия их выполнения и т. д.
4*
99
Материалы и их поведение при сварке
Технологические пробы на склонность к холодным
трещинам стандартизированы ГОСТ 26388—84 и преду-
сматривают определенные формы и размеры образцов,
подготовку кромок, способы и режимы сварки, спосо-
бы закрепления и методы механических испытаний. На
рис. 8.7, a-е представлены некоторые пробы. Показате-
лями трещинообразования, как правило, являются па-
раметры режима, при которых появляются холодные
трещины, форма и размеры надрезов или разделок кро-
ток, длина свариваемых элементов и т. п.
в
100
Глава 8. Углеродистые и углеродисто-марганцевые...
Рис. 8.7. Технологические пробы на холодные трешины и схемы
испытаний: а) проба CTS: 1 — закрепляющий шов,
2 — испытываемый шов; б) проба крестовая; в) проба
ЦНИИТМАШ, г) кольцевая проба; д) проба Теккен;
е) проба Лихайского университета.
101
Материалы и их поведение при сварке
По каждой пробе можно получить информацию о
значениях показателей склонности к холодным трещи-
нам (ГОСТ 26388—84). При механических испытаниях
на холодные трещины используют различные виды на-
грузок (растяжение, изгиб, кручение), вызывающие в
шве или ЗТВ появление холодных трещин.
Рассмотренные причины образования холодных тре-
щин в сварных соединениях, механизмы разрушения и
способы оценки склонности соединений к ним позво-
ляют сформулировать основные направления борьбы с
холодными трещинами. Общими из них для большин-
ства указанных сталей являются:
1) регулирование структуры металла шва и сварного
соединения, достигаемое соответствующим выбо-
ром основных и сварочных материалов, способа-
ми и режимами сварки, использованием предва-
рительного или сопутствующего подогрева и т. п.;
2) снижение концентрации водорода в шве, обеспе-
чивающееся качеством свариваемых материалов и
чистотой свариваемых поверхностей, содержани-
ем водорода в сварочных материалах (электродах,
газах, флюсах);
3) снижение уровня напряженного состояния, дости-
гаемое за счет рационального конструирования
сварных элементов, технологией сварки и исполь-
зованием термической обработки.
Вопросы для самопроверки
1. Какие стали называют улучшаемыми ?
2. От каких факторов зависит структура металла
шва из низкоуглеродистой стали ?
102
Глава 8. Углеродистые и углеродисто-марганцевые...
3. Почему при сварке низкоуглеродистых сталей про-
исходит практически полный распад аустенита на
ферритно-карбидную смесь?
4. Почему в ЗТВ из углеродисто-марганцевых сталей
исходные свойства металла изменяются значитель-
нее, чем в низкоуглеродистых сталях?
5. Какой обработкой можно улучшить свойства соеди-
нений из низколегированных сталей?
6. Назовите три основных фактора трещинообразова-
ния при сварке.
7. Что называется горячей трещиной ?
8. Что называется холодной трещиной ?
9. Как влияют легирующие на образование горячих тре-
щин ?
10. Как влияет форма шва на вероятность образования
горячих трещин?
11. Какие факторы трещинообразования можно оце-
нить с помощью технологической пробы ?
12. Назовите виды холодных трещин.
13. В чем недостаток «закалочной» гипотезы образова-
ния холодных трещин ?
14. Что такое трещины повторного нагрева?
15. Почему образуются замедленные холодные трещины ?
16. Назовите общие для всех сталей пути борьбы с хо-
лодными трещинами.
17. Какие параметры режима можно оценить техноло-
гической пробои CTS?
18. В чем преимущество крестовой пробы?
19. За счет каких мер можно снизить напряженное со-
стояние в сварном соединении ?
Глава 9
СРЕДНЕУГЛЕРОДИСТЫЕ
И ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ
И ИХ СВАРИВАЕМОСТЬ
9.1. Общая характеристика сталей
К конструкционным среднеуглеродистым относят, со-
гласно ГОСТ 1050—88 и ГОСТ 4543—71, стали с содер-
жанием углерода 0,26...0,45% и в отдельных случаях мар-
ганца до 0,7... 1,0%. К ним относятся стали марок 30, 35,
40, 35Г, 45Г и др. Повышение содержания углерода уве-
личивает прочность (ов, ос2) и снижает пластичность и
вязкость (6, KCU) сталей, что приводит к повышению
их чувствительности к перегреву и закалке.
К конструкционным легированным сталям относят ста -
ли, содержащие легирующих более 4,5...6,0%. Легирую-
щими элементами являются, в основном, Si, Мп, Сг, Ni,
упрочняющие феррит. К этой группе относятся стали
12Х2НВФА, 42Х2ГСНМА, 30ХГСНА и др. По структуре
эти стали относятся к перлитному классу, если легирую-
щих элементов 5...6%, и к мартенситно-бейнитному
или мартенситному классу, если их содержание более
5...6%. Оптимальные механические свойства стали полу-
чают после термической обработки (закалка + отпуск).
Применение указанных сталей в сварных конструк-
циях связано с их высокой прочностью, удовлетвори-
104
Глава 9. Среднеуглеродистые и легированные стали...
тельной пластичностью и вязкостью, коррозионной
стойкостью в атмосферных условиях, чго позволяет сни-
зить металлоемкость (вес) и увеличить срок эксплуата-
ции изделий. Как правило, они используются при удар-
ных и переменных нагрузках.
В то же время повышенное содержание углерода и
легирующих элементов определяют сложности, возни-
кающие при сварке и заключающиеся в образовании
хрупких структур в шве и околошовных зонах. Часто
оказывается целесообразным выбор менее прочной ста-
ли, с наименьшим для данного класса содержанием уг-
лерода и легирующих, но более технологичной при свар-
ке (меньшая чувствительность к трещинообразованию,
концентраторам напряжений и т. и.).
9.2. Характеристика свариваемости
Свариваемость конструкционных среднеуглеродис-
тых и среднелегированных сталей можно определить как
их способность переносить тепловой режим сварки без
образования в соединении участков металла с понижен-
ными пластическими свойствами, способегвуюшими
возникновению трещин или разрушению сварных со-
единений при эксплуатации. В рассматриваемых ста-
лях такие малопластичные и хрупкие участки образуют-
ся в зонах, где металл перегревается при сварке выше
температур Ас3, а при последующем охлаждении (см.
рис. 4.3, II) в его структуре фиксируется наряду с мар-
тенситом остаточный аустенит (в зависимости от степе-
ни легирования).
Таким образом, основным критерием свариваемости
является склонность этих сталей к холодным трещинам.
Наиболее часто они образуются в швах и околошовных
зонах перлитных и мартенситных сталей, свариваемых
105
Материалы и их поведение при сварке
электродными материалами, близкими по составу с ос-
новным металлом. Трещины могут возникать как в ин-
тервале температур образования мартенсита (250 "С и
ниже), так и спустя некоторое время (через 24...48 ч) пос-
ле полного остывания сварного соединения. При этом
чем выше уровень остаточных напряжений, тем вероят-
нее образование холодных трещин. Указанные выше
легирующие элементы в этих сталях способствуют по-
нижению температуры начала мартенситного превраще-
ния Мн и. следовательно, появлению хрупких закаточ-
ных структур. О чувствительности этих сталей к закалке
судят по величине эквивалентного углерода:
и j 4 1Э 13 2
При значении Сэкв> 0,45% сварное соединение счи-
тается склонным к холодным трещинам. Однако такая
оценка в известной мерс является ориентировочной,
а определяющая роль принадлежит фактическому со-
держанию углерода. Процесс треш и необразованна уси-
ливается наличием остаточного аустенита, р юпад кото-
рого при нормальных температурах происходит в течение
определенного времени, приводя к дополнительному
образованию неотпущенного мартенсита и дополни-
тельному росту величины внутренних напряжений. Этот
процесс усугубляется при повышенном уровне содержа-
ния водорода в металле, создающем в дефектах струк-
туры локальные и высокие давления. Это вызывает по-
явление замедленных трещин, часто образующихся
после проведенного контрочя качества, а, значит, наи-
более опасных.
Дополнительным и весьма существенным фактором,
повышающим склонность сварных соединений из леги-
рованных сталей к холодным трещинам и охрупчива-
106
Глава 9. Среднеуглеродистые и легированные стали...
нию, является наличие различного рода концентраторов
напряжений (подрезов, локальных непроваров, загряз-
нений металла шлаковыми включениями и т. д.). Устра-
нение концентраторов напряжений и обеспечение дос-
таточной аустснитности шва за счет его легирования
существенно повышает стойкость соединения к холод-
ным трещинам (даже при повышенном содержании
мартенсита). Образование холодных трещин в этих ста-
лях можно также уменьшить:
• выбором способа и технологии (режимов) сварки,
способствующих устранению грубодендритной
структуры шва и минимальному перегреву зоны
термического влияния;
• применением подогрева, уменьшающего вероят-
ность образования закалочных структур;
• снижением содержания водорода в сварном соеди-
нении;
• термообработкой (отпуском) сразу после сварки.
Использование соответствующих электродных мате-
риалов (табл. 9.1), многослойной сварки, колебательных
движений электрода, импульсного режима сварочного
тока и оптимальных режимов при непрерывном токе
обеспечивает получение равноосной мелкозернистой
структуры шва и предупреждает чрезмерное развитие
зоны перегрева основного металла. Наилучшие резуль-
таты получаются при сварке под флюсом и ручной дуго-
вой сварке, наихудшие —- при аргонодуговой сварке.
Снижение содержания водорода в металле шва дос-
тигается использованием низководородистых прокален-
ных электродов (основного типа), флюсов, осушкой га-
зов перед сваркой, тщательной зачисткой поверхностей
свариваемых кромок.
Отпуск после сварки, снижая остаточные напряже-
ния и улучшая структуру (повышая ее пластичность),
107
Таблица 9.1
Сварочные материалы и термообработка соединений из среднеуглеродистых
и среднелегированных сталей
Марка свариваемой стали Типы (марки) свариваемых материалов Термообработка
Ручная дуговая сварка Сварка под флюсом Сварка в инертных газах (Аг, Не) В процессе сварки После сварки
Тип Марка VI арка проволоки Марка проволоки
Сталь 45,35Г Э70 Л КЗ-70 Подофев 300...350 °C Оп-уск непосредственно после сварки
Э-08Х21Н10Г6 УОНИ-13/НЖ-2 С В-08Х21Н10Г6 200...300 "С Без термообработки
Э-30Х25Н16Г7 ОЗЛ-9А 200...300'С Без те рмообработки
ЗОХГ2С УОНИ-13/85У Св-08А Без термообработки
ЗОХГСНА НИАТ-ЗМ Св-18ХМА Св-18ХМА Подогрев 150..200 °C Закал ка+отпуск
ЗОХГСА Э-85, Э-100 УОН И-13/85 Св-04ХМА СВ-04ХМА Подогрев 150...200 °C За кал ка+отпуск
Окончание табл. 9.1
Марка свариваемой стали Типы (марки) свариваемых материалов Термообработка
Ручная дуговая сварка Сварка под флюсом Сварка в инертных газах (Аг, Не) В процессе сварки После сварки
Тип Марка Марка проволоки Марка проволоки
ЗОХГСНА Э-10Х20Н9ГС Св-08Х21Н10Гб Без подогрева Без гермообработки
12Х2НВФА Э-85 НИАТ-ЗМ Св-18ХМА Св-18ХМА Без подогрева Без термообработки
42Х2ГСНМА Э-85 УОНИ-13/85 Св-20ХСНВФА Подогрев 200...300 “С Закалка-*- отпуск
Глава 9. Среднеуглеродистые и легированные стали...
Материалы и их поведение при сварке
также устраняет образование замедленных холодных
трещин. Для большинства марок сталей отпуск произ-
водится сразу после сварки. Чем более легирована сталь,
тем меньше должен быть перерыв во времени между
окончанием сварки и термообработкой. Если проведе-
ние такого отпуска затруднено или невозможно (напри-
мер, из-за габаритов изделия), то производится общий
или локальный низкий отпуск (250...300 С), часто на-
зываемый «отдыхом».
Появлению горячих трещин при сварке среднеугле-
родистых и среднелегированных сталей способствуют
повышенное содержание примесей S и Р, чрезмерно
низкие значения погонной энергии сварки (большая
скорость сварки), неблагоприятная форма шва (узкие
швы), а также наличие концентраторов напряжений в
виде непроваров, несплавлений и т. п. Эти обстоятель-
ства необходимо учитывать при выборе основных и сва-
рочных материалов и разработке технологии сварки.
Вопросы для самопроверки
I. К изменению каких свойств стали приводит повы-
шение содержания углерода и легирующих?
2. К каким структурным классам, как правило, отно-
сятся среднеуглеродистые стали ?
3. Охарактеризуйте свариваемость среднеуглеродис-
тых и среднелегированных сталей.
4. Почему в указанных сталях могут возникать замед-
ленные холодные трещины?
5. Укажите технологические пути снижения склонно-
сти этих сталей к холодным трещинам
6. К какому виду трещин приводит неблагоприятная
форма шва?
НО
Глава 9. Среднеуглеродистые и легированные стали...
7. К чему приводит наличие остаточного аустенита в
металле шва ?
8. Почему сварочные материалы обязательно прокали-
ваются и просушиваются при сварке среднеуглеро-
дистых и среднелегированных сталей?
9. К какому виду трещин приводит высокая скорость
сварки?
======= Глава 10 =========
ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ
ДЛЯ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР
10.1. Общая характеристика сталей
К сварным сооружениям, использующимся при низ-
ких температурах в течение длительного времени, отно-
сятся холодильные установки, дорожно-строительная
техника, мостовые конструкции, фермы, транспортные
средства, магистральные трубопроводы и т. д., а также
конструкции, эксплуатирующиеся в условиях Крайне-
го Севера, под водой, в космосе. Основными критери-
ями возможности использования конструкционных ма-
териалов и сварных соединений из них для низких
температур являются:
♦ необходимый уровень прочности при нормальной
температуре (20 °C), обеспечивающий надежность
и оптимальную металлоемкость конструкции;
• низкая чувствительность к хрупкому разрушению,
определяемая запасом пластичности и вязкости
при рабочих (низких) температурах;
• технологичность при металлургическом и маши-
ностроительном переделе (свариваемость, штам-
пуемость и т. п.).
В практике создания сварных узлов принято, что при
Т > -100 “С используются низкоуглеродистые и низко-
112
Глава 10. Легированные стали для низких температур
легированные стали ферритно-перлитного, перлитного,
а иногда и бейнитного классов, а при более низких (крио-
генных) температурах — аустенитные, аустенитно-мар-
тенситные стали или цветные сплавы (алюминий, медь).
В данной главе рассматриваются стали первой группы.
К этой группе следует отнести низкоуглеродистые ста-
ли СтЗ сп, Ст20 и низколегированные стали 09Г2Д, ЮГ2,
17ГС, 14ХГС, применяемые для Тэксп до —40...-50 “С,
и стали 09Г2С, 10ХСНД, 10Г2С1Д, 14Г2САФ, 16Г2САФ,
применяемые для Тэксп до -60 °C.
Эти материалы отличаются заметным изменением
механических свойств при снижении температуры: рост
значений ов, ат, а_ь снижение значений 5, vp, KCU, по-
вышенной чувствительностью к концентраторам напря-
жений.
Определяющей характеристикой этих сталей являет-
ся их способность сопротивляться хрупким разрушениям
при понижении температуры. Поэтому вопросы хладо-
стойкости принято рассматривать в связи с переходом
материала из вязкого в хрупкое состояние в зависимос-
ти от технологических воздействий на него и условий
жсплуатации конструкции.
Экспериментально при таком переходе наблюдается
изменение внешнего вида поверхности излома при ди-
намических (ударных) испытаниях образцов: доля во-
локнистости в площадке разрушения снижается, а доля
зернистости увеличивается. В достаточно узком интер-
вале температур испытаний, разном для различных ма-
рок сталей, доля площади разрушения FH3J1 с волокнис-
тым характером излома (сдвиговая деформация) часто
и зменяется от 100% до нулевой величины, уступая мес-
|<) хрупкому зернистому излому (деформация отрыва).
При этом резко снижается величина работы Gc разру-
шения металла. Температуру, при которой поверхность
113
Материалы и их поведение при сварке
разрушения состоит из 50% площади хрупких участков
и 50% вязких участков, принято называть первой кри-
тической Ткр1 температурой хрупкости (рис. 10.1), а по-
казателем сопротивляемости металла хрупкому разру-
шению является значение работы разрушения,
приходящейся на единицу площади, т. е. ударная вяз-
кость KCU (Дж/см2). В практике создания сооружений
условно принято называть температуру, при которой
значение KCU = 25...30 Дж/см2, порогом хладоломкости.
Эта температура свидетельствует о принципиальной воз-
можности перехода металла в хрупкое состояние. Одна-
ко такая оценка не является полной. При испытаниях
крупных образцов или увеличении скорости нагружения
эта температура сдвигается вправо (Ткр/ > Ткр1"), т. е. по-
рог хладоломкости повышается на 10...30 °C.
Кипящие низкоуглеродистые стали, легированные
стали с крупным зерном и закаливающиеся стали име-
ют более высокую температуру перехода в хрупкое со-
стояние.
Под влиянием процесса сварки за счет термическо-
го и деформационного воздействия, роста зерна, степе-
ни закалки отдельных участков и т. п. значение Ткр по-
вышается, а значение ударной вязкости KCU для этих
участков сварного соединения снижается. Поэтому зна-
чение ударной вязкости становится одним из основных
критериев применимости (свариваемости) материала
для сварного соединения.
Установлено, что накопление усталости за счет цик-
лических нагрузок, радиационное и коррозионное воз-
действие среды, содержание примесей в шве также мо-
гут способствовать повышению температуры перехода в
хрупкое состояние. Ускоряющим фактором охрупчива-
ния является наличие в сварном соединении концент-
раторов (внешних или внутренних) напряжений, фор-
114
Глава 10. Легированные стали для низких температур
Рис. 10.1. Влияние температуры на переход в хрупкое состояние
ма и размеры которых могут существенно ограничивать
возможность практического применения сварной кон
струкции для тех или иных условий эксплуатации. Ос-
новными концентраторами являются подрезы, непрова-
ры, несплавления, неметаллические включения и
наводораживание шва. Поэтому экспериментальная
оценка сопротивляемости хрупким разрушениям, со-
гласно ГОСТ 11150—75 и ГОСТ 9454—78, производится
испытанием на ударную вязкость на стандартных образ-
цах с искусственно создаваемыми концентраторами
типа надрезов U-образной или V-образной формы (пос-
ледние предпочтительны для испытаний сварных соеди-
нений).
Несмотря на жесткость подобной оценки охрупчива-
ния, численное значение ударной вязкости не всегда яв-
ляется достаточной характеристикой перехода металла
в хрупкое состояние. Имеются примеры, когда металл
шва имеет значение KCU < 25 Дж/см2, а сварное соеди-
нение работает достаточно долго без хрупких разруше-
115
Материалы и их поведение при сварке
ний. Это объясняется тем, что всякому распростране-
нию трещины предшествует ее зарождение или начало
се движения, если трещина существовала раньше. Ис-
пытания на ударную вязкость оценивают лишь работу
движения трещины. Существуют методики оценки
свойств металла, определяющие его сопротивляемость
началу разрушения.
Известны несколько способов экспериментальной
оценки свойств охрупченного металла сварных соедине-
ний. К ним относятся: силовые, деформационные и
энергетические [8].
10.2. Особенности сварки хладостойких
сталей
Современные способы сварки плавлением и свароч-
ные материалы обеспечивают получение металла шва,
не уступающего по хладостойкости основному металлу,
а в некоторых случаях даже превосходящего его. Одна-
ко условия производства сварочных работ (в помеще-
нии, на воздухе, в приспособлениях или на монтаже и
т. д.), качество и состав основных (кипящая или спокой-
ная сталь, низко- или среднелегированная, горяче- или
холоднокатаная) и сварочных материалов (электроды,
флюсы, газы, их влажность и степень загрязнения), ус-
ловия защиты расплавленного металла в процессе свар-
ки, термомеханическое воздействие процесса сварки на
металл (структура шва, состав и ширина ЗТВ), геомет-
рическая форма шва и конструкция соединения в целом
могут привести к снижению хладостойкости сварных
конструкций. Практически все случаи хрупких разруше-
ний сварных соединений и конструкций, имевших ме-
сто при низких температурах (сосуды, отвалы бульдозе-
116
Глава 10. Легированные стали для низких температур
ров, балки мостов, стрелы экскаваторов, корпуса судов
и т. д.), связаны с низким качеством основных и элект-
родных материалов, дефектами металла швов и наруше-
ниями в технологии изготовления и конструктивного
оформления узлов.
В связи с указанным основными требованиями,
предъявляемыми к выбору сварочных материалов для
сварки хладостойких сталей, являются:
I. Использование присадочных материалов (электро-
дов, проволок, пластин), обеспечивающих высокую
пластичность и вязкость металла швов при низких тем-
пературах. Это достигается применением типов и марок
электродов и проволок, химический состав которых,
в основном, соответствует составам сталей, а режимы
сварки обеспечивают получение ферритно-перлитной
или сорбитной структуры швов. Для низкоутлеродистых
и низколегированных сталей, работающих при Т до
—40 С и не испытывающих динамических и перемен-
ных нагрузок (СтЗсп, ЮГ2, Ст20, 17ГС, 14ХГС), реко-
мендуется применение экономичных электродов типа
)42 и Э46 с рутиловым (ОЗС—4), рутилово-основным
покрытием (МР—3, АНО—4). Для ответственных свар-
ных конструкций из сталей 09Г2С, 10Г2СД, 10ХСНД
применяют электроды с основным покрытием типа
Э46А, Э50, Э50А, марок УОНИ 13/45, УОНИ 13/55,
ДСК—50, ОЗС—18, а также ЕВ50 «Велер Фокс» и «Га-
рант». Для материалов, работающих при Т° до —60 °C,
можно использовать электроды АНО—9, ЗТМ—2У, ВП—4
и др. Более конкретные рекомендации по выбору элек-
тродов можно получить в литературе [7,8]. Для механи-
зированной сварки указанных сталей под флюсом ис-
пользуются сварочные проволоки Св—08ГА, Св—10Г2,
Св—08ГМ, Св-08ХМА в сочетаниях с флюсами АН—
348А, АН -22, АН—43 и АН—47. Для сварки в углекис-
117
Материалы и их поведение при сварке
лом газе сталей 09Г2Д, 09Г2С, 10Г2С1 и 10ХСНД реко-
мендуются проволоки Св—08Г2С, Св—10Г2С и Св—
12ГС. При выборе и заказе эчектродов и проволок необ-
ходимо требовать ограничения в них содержание серы до
< 0,02% и фосфора < 0,02%.
2. Обеспечение пониженного содержания влаги в по-
крытиях, флюсах и газах, ведущее к снижению пор в
металле шва. Это осуществляется за счет операций про-
калки и просушки сварочных материалов. В зависимо-
сти от требований к изготовлению сварных узлов эти
операции могут проводиться 1 —2 раза в рабочую смену
или еженедельно. Проведение сварки должно исключать
попадание влаги на свариваемые поверхности.
Перед началом сварки проволоку необходимо очи-
щать от окалины, ржавчины и удалять технологическую
смазку.
3. Специальное легирование металла шва элементами,
обеспечивающими необходимый запас пластичности
швов (Ni. V) и способствующими повышению стойкос-
ти швов к горячим трешинам. Эти характеристики ука-
зываются в справочных данных или стандартах на элек-
троды и проволоки для сварки хладостойких сталей.
Режимы сварки должны обеспечивать минимальные
значения погонной энергии для получения требуемых
стандартами размеров и формы швов. Указанные выше
стали несколько склонны к подкалке, особенно при
повышенных толщинах, поэтому режимы сварки долж-
ны обеспечивать скорости охлаждения сварных соеди-
нений меньше критических. В то же время чрезмерно
высокие значения погонной энергии (низкие скорости
сварки) могут вызвать появление разупрочненных зон в
участках рекристаллизации, что особенно сказывается
на снижении свойств сталей с карбонитридным упроч-
нением (14Г2САФ). Это обстоятельство усложняет вы-
118
Глава 10. Легированные стали для низких температур
бор режимов сварки Во всех случаях необходимо выби-
рать наименьший возможный диаметр электрода (про-
волоки), чтобы уменьшить долю наплавленного метал-
ла в шве.
Сварку предпочтительнее осуществлять многослой-
ную. Режимы сварки и техника выполнения швов не
должны допускать непроваров, несплавлений, подрезов,
грещин, а форма швов должна исключать появление
резких концентраторов напряжений. Рекомендуется, по
возможности, не использовать угловые и тавровые со-
единения. Если это конструктивно невозможно, то сле-
дует после сварки устранять (сглаживать) резкие пере-
ходы от шва к основному металлу.
Эффективным путем устранения охрупчивания и по-
вышения хладостойкости сварных соединений являет-
ся послесварочная термообработка (закалка с высоким
oi пуском). Высокий отпуск сварных соединений кроме
восстановления пластичности и устранения эффекта де-
формационного старения снижает остаточные напряже-
ния и накопленную металлом потенциальную энергию.
Нормируемыми, т. е. жестко ограничиваемыми, де-
фектами являются непровары и шлаковые включения,
цепочки пор, трещины. Их размеры и общая протяжен-
ность регулируются отраслевой технической документа-
цией на сварную продукцию. Возможны и другие при-
емы повышения хладостойкости сварных соединений
(предварительное нагружение сварной конструкции,
наложение поля остаточных напряжений, «сглаживаю -
щее» величину концентраторов, магнитно-импульсное
ведение процесса сварки и т. д.). Наиболее простым
приемом, повышающим пластичность и вязкость соеди-
нений, является использование подогревало и в процес-
се сварки. Температура подогрева зависит от содержа-
ния углерода и легирующих и, как правило, находится
119
Материалы и их поведение при сварке
в пределах 80...200 °C. Этот прием существенно снижа -
еттрещинообразование в сварных соединениях и повы-
шает их вязкость.
Об особенностях поведения высоколегированных
криогенных сталей, используемых при криогенных тем-
пературах, и специфики технологии их сварки будет ска-
зано в главе 13.
Вопросы для самопроверки
1 Назовите основные критерии использования сталей
для низких температур.
2. Почему вопросы хладостойкости рассматривают в
связи с переходом в хрупкое состояние?
3. Какие дефекты шва снижают хладостойкость со-
единения ?
4. Назовите основные требования к сварочным мате-
риалам.
5. Какой дефект сварного соединения может вызвать
весьма высокое значение погонной энергии сварки ?
6. Как изменяется температура перехода в хрупкое со-
стояние с изменением содержания углерода в шве?
========== Глава 11 -- ——
ЛЕГИРОВАННЫЕ
ТЕПЛОСТОЙКИЕ СТАЛИ
11.1. Общая характеристика сталей
Теплостойкими или теплоустойчивыми называют
стали, эксплуатирующиеся при температурах до Тэксп =
500...580 °C в течение t — Ю4...!^ ч. По степени легиро-
вания к теплоустойчивым сталям в основном относят-
ся низко- и среднелегированные перлитные стали. Со-
держание углерода в этих сталях составляет 0.08...0,17%.
В соответствии с условиями эксплуатации теплоустой-
чивые стали должны обладать сопротивлением ползучес-
ти, длительной прочностью и жаростойкостью. Обеспе-
чение перечисленных свойств в интервале температур
эксплуатации достигается путем легирования сталей
хромом (0,5...2,0%), молибденом (0,2...1,0%), ванадием
(0,1...0,3%), добавками W, Ti, Si и соответствующей тер-
мообработкой (улучшением).
Известны два основных направления получения тре-
буемого уровня теплостойкости.
Первый путь — обеспечение теплостойкости за счет
структурного упрочнения твердого раствора хромом и
молибденом, что повышает температуру рекристаллиза-
ции железоуглеродистого сплава и снижает интенсив-
ность диффузионных процессов (разупрочнение) при
121
Материалы и их поведение при сварке
высокотемпературной эксплуатации. Кроме того, в про-
цессе длительной эксплуатации при Т = 450...600 °C мо-
либден образует с железом интерметаллид Fe2Mo (фазу
Лавсса), что повышает длительную прочность стали за
счет дисперсионного твердения, т. е. созданием на грани-
цах зерен препятствий для движения дислокации. Оп-
тимальным содержанием Мо в стали является 0,4... 1,3%.
Второй путь структурного упрочнения стали — это
введение в сталь сильных карбидообразующих — вана-
дия и ниобия. Эти элементы, находясь в металле в виде
высокодисперсных карбидов VC и NbC, растворенных
в зернах, также повышают длительную прочность ста-
ли. Такие теплоустойчивые стали с карбидным упроч-
нением подвергают полной термической обработке:
закалке на мартенсит и высокому отпуску. Во время пос-
леднего и образуются мелкодисперсные карбиды VC и
NbC. Однако длительная эксплуатация изделий при
Т = 550...600 °C приводит к коагуляции этих карбидов
и их расположению вблизи границ зерен, что ведет к
возможности межзеренного разрушения (охрупчива-
нию) и снижению теплостойкости сталей.
Поэтому для сварных соединений предпочтительным
является первый путь структурного упрочнения сталей,
так как он позволяет получать более пластичный металл
шва по сравнению с карбидным упрочнением и обеспе-
чивает большую стабильность структуры в процессе
длительной эксплуатации.
Разработаны и используется большое число марок
сталей, в которых для упрочнения применяются оба
указанных механизма.
Теплостойкие стали используются для изготовления
сварных узлов парогенераторов, трубопроводных систем
энергетических и нефтехимических установок, атомных
реакторов и т. д. Наиболее известными являются марки
сталей 12ХМ, 12МХ, 15ХМ, 20ХМЛ (Тра6 = 450...550 °C)
122
Глава 11. Легированные теплостойкие стали
и 12Х1МФ, 15Х1МФ, 20ХМФЛ, 12Х2МФЛ и др. (Траб=
550...580 °C). Химическим состав и свойства сталей рег-
ламентированы ГОСТ 20072—74 и указаны в литературе
[12]. Оптимальные механические свойства и их стабиль-
ность в течение 100 000 ч (10 лет) обеспечиваются струк-
турой перлита, получаемой после закалки с последую-
щим высоким отпуском или после нормализации.
11.2. Характеристика свариваемости
и рекомендации по сварке
Физическая свариваемость теплоустойчивых сталей,
определяемая отношением металла к плавлению, метал-
лургической обработке и последующей кристаллизации,
нс вызывает существенных осложнений, что при совре-
менных сварочных материалах и уровне технологии по-
зволяет обеспечить необходимую стойкость металла
швов против образования горячих трещин и высокие ха-
рактеристики их работоспособности.
Технологическая (иногда называемая тепловой) сварива-
емость осложняется охрупчиванием металла в результате
образования метастабильных (неустойчивых) структур в
участках соединения, нагревавшихся выше температу-
ры Асз, и разупрочнением в участках, нагревавшихся в
интервале температуры A<.3 — температура отпуска ста-
ли. Образование хрупких структур (мартенсита) и сум-
мирование сварочных и эксплуатационных напряжений
могут исчерпать пластичность металла и вызвать разру-
шение конструкции из-за образования холодных тре-
щин как сразу после сварки, так и в течение определен-
ного времени после ее окончания.
Образование закалочных структур во многом опреде-
ляется системой легирования сталей и швов: хромомо-
либденованадиевые стали более склонны к холодным
123
Материалы и их поведение при сварке
трещинам по сравнению с хромомолибденовыми. По-
явлению «замедленных» холодных трещин способству-
ет диффузионно подвижный водород.
Улучшение свариваемости (предотвращение холод-
ных трещин) достигается местным или общим сопут-
ствующим подогревом изделия. Подогрев уменьшает
скорость охлаждения металла, снижает напряжения пер-
вого рода, что способствует уменьшению количества об-
разующегося мартенсита. Кроме того, подогрев метал-
ла в процессе сварки способствует эвакуации водорода
из сварного соединения и тем самым увеличивает его
деформационную способность. Однако температура
подогрева соединений должна быть ограничена как по
нижнему, так и по верхнему пределу. Слишком малый
подогрев не устраняет закалочных структур, а боль-
шой — способствует образованию грубой ферритно-
перлитной структуры, что снижает ударную вязкость и
длительную прочность соединений. В некоторых случа-
ях (при больших толщинах) предотвращение образова-
ния холодных трещин и хрупких разрушений сварных
соединений достигается выдержкой их после сварки при
Т = 150...200 С в течение нескольких часов, необходи-
мых для завершения превращения остаточного аустени -
та и снижения концентрации водорода в шве и ЗТВ.
Как указывалось, технологическую свариваемость ос-
ложняет также разупрочнение зоны термического вли-
яния в участке отпуска. Это происходит потому, что за-
готовки из теплоустойчивых сталей поступают на сварку,
как правило, в термически упрочненном состоянии
(нормализация или закалка с отпуском), а нагрев ука-
занного участка при сварке снимает упрочнение. Сте-
пень разупрочнения определяется уровнем легирования
и тепловым режимом сварки. Чем больше погонная
энергия (большой ток, малая скорость сварки), тем
124
Глава 11. Легированные теплостойкие стали
шире зона и степень разупрочнения. Мягкая разупроч-
ненная ферритная прослойка в зоне термического вли-
яния может явиться причиной локальных разрушений
жестких соединений в процессе эксплуатации.
Устранения разупрочнения можно добиться термооб-
работкой (нормализация + отпуск при Т = 700 °C) пос-
ie сварки.
Появлению локальных хрупких разрушений в про-
цессе длительной эксплуатации при Т = 450...600 °C
может способствовать изменение свойств металла в зоне
сплавления из-за интенсивного развития диффузионных
процессов между основным металлом и металлом шва.
Это относится, в первую очередь, к диффузии углерода.
Миграция углерода из стали в шов или наоборот наблю-
дается даже при небольшом различии в легировании их
карбидообразующими элементами, часть из которых
«удерживает» около себя углерод и «вытягивает» его из
зон, где концентрация карбидообразуюших элементов
меньшая. Это приводит к образованию в процессе экс-
плуатации обезуглероженной (ферритной) прослойки с
одной стороны линии сплавления и карбидной гряды с
другой, что существенно снижает пластичность соеди-
нения в целом и ведет к его разрушению (пример: сталь
12X1 МФ — шов 10ХЗМ1БФ — со стороны шва по ли-
нии сплавления формируются карбиды, а со стороны
стали — обезуглероженная зона). Указанные обстоятель-
ства требуют, чтобы сварочные материалы обеспечива-
ли состав шва, близкий к химическому составу основ-
ного металла, либо чтобы шов был более аустенитным
(пластичным), чем свариваемый металл.
Общими рекомендациями по всем способам дуговой
сварки являются: обязательная и тщательная зачистка и
подготовка поверхности свариваемых кромок, постоян-
ство тепловых режимов, надежная защита зоны сварки
125
Материалы и их поведение при сварке
и жесткое соблюдение режимов подогрева и термообра-
ботки сварных соединений.
Разделка кромок осуществляется механически или
плазменно-дуговой резкой. Сварку проводят при темпе-
ратуре окружающего воздуха не ниже О °C с предвари-
тельным и сопутствующим местным или общим подо-
гревом (табл. 11.1).
Таблица 11.1
Рекомендуемые температуры подогрева при сварке
и термообработки после сварки
Марка стали Рекомендуемая темпера! ура подогрева Рекомендуемая температура отпуска после сварки
Толщина, мм Т, °C Толщина, мм Т,’С
12.МХ 15МХ До Ю Не требуется До 7 Нс требуется
11..30 150...200 Свыше 7 650...680
С вы ле 30 200...250
12Х1МФ 15Х1М1Ф 20ХМЛ 20ХМФЛ До 6 Не требуется До 4 Не требуется
7.. 30 200. 300 Свыше 4 720...760
Свыше 30 250. .350
Как правило, сварные соединения толщиной менее
10 мм можно не подвергать послесварочной термообра-
ботке. Во всех других случаях она необходима, так как из-
за структурной неоднородности соединения и высоко-
го уровня сварочных напряжений сварные соединения
весьма склонны к трешинообразованию.
Для ручной дуговой сварки используются электроды
с основным (фгористо-кальциевым) покрытием, изго-
товленные из низкоуглеродистой сварочной проволоки
с введением в покрытие легирующих элементов. Покры-
тие такого типа обеспечивает повышенную раскислен-
ность металла шва и низкое содержание водорода. Од-
126
Глава 11. Легированные теплостойкие стали
нако их применение требует тщательной очистки повер-
хности свариваемых кромок от окалины, ржавчины,
масел, прокалки и просушки электродов перед сваркой,
ведения процесса на предельно короткой дуге. Рекомен-
дации по применению электродов представлены в табл.
11.2. Сварка осуществляется на постоянном токе обрат-
ной полярности, а ток выбирается в зависимости от ди-
аметра электрода и положения шва в пространстве.
Таблица 11.2
Электроды для сварки теплостойких сталей
Марка стали Тип электрода Марка электрода Марка стали Тип электрода по ГОСТ 9467-75 Марка электрода
12МХ I5XM 20ХМЛ Э-09Х1М ЦУ 2ХМ ЦЛ-38 Н-19 12Х1МФ 15Х1М1Ф 20ХМФЛ Э-09Х1МФ ЦЛ-20 ЦЛ-45 ЦЛ-39
Зазор между свариваемыми кромками заполняется
узкими валиками без поперечных колебаний электрода
с тщательной заваркой кратеров. Если после сварки тер-
мообработка не предусматривается, то для указанных
сгалей используются электроды на никелевой основе
(например, ЦТ-36).
При сварке в защитных газах используются неплавя-
щиеся (вольфрамовые) и плавящиеся электроды в сре-
де инертных газов (аргон, гелий). Аргонодуговая свар-
ка, как правило, используется для выполнения корневых
швов при многослойной сварке стыков трубных элемен-
юв. Сварка в углекислом газе из-за опасности образо-
вания окисных включений в шве применяется только
|я однопроходных швов или заварки дефектов литья с
использованием проволок Св-08ХГСМА и Св—
08ХГСМФА.
127
Материалы и их поведение при сварке
Автоматическую сварку под флюсом используют для
кольцевых (поворотных) и продольных стыков трубо-
проводов, коллекторов, корпусов аппаратов нефтехими-
ческой и атомной промышленности и других изделий с
толщиной стенок более 12...20 мм. При этом использу-
ют проволоки Св-08ХМ, Св~08ХМФА и др. С целью
снижения количества оксидов в швах применяют низ-
коактивныс по Si и Мп флюсы типа ФЦ-11, ФЦ-16,
ФЦ—22. Сварку ведут на постоянном токе обратной
полярности на минимальных погонных энергиях. При
этом скорость сварки не должна превышать 40...45 м/ч,
чтобы предупредить образование холодных трещин.
При всех способах дуговой сварки необходимо обес-
печить максимальное приближение химического соста-
ва шва к основному металлу.
Другим «слабым» местом соединения из теплоустой-
чивых сталей являются участки охрупчивания (зоны ро-
ста зерна и закалки). Такие участки всегда присутствуют
в сварном соединении, но их ширина и степень охруп-
чивания (оцениваемая по значению KCU или Ткр) в не-
которой степени могут регулироваться за счет выбора
способа и режимов сварки. В большей степени охруп-
чивание зависит от качества исходного металла (чисто-
та по примесям, вид улучшающей термообработки).
Действенным средством улучшения свойств всего свар-
ного соединения является своевременно проведенный
высокий отпуск (Тотг| = 670...710 “С).
Вопросы для самопроверки
1. Какими основными характеристиками должны об-
ладать теплостойкие стали?
2. Назовите легирующие, обеспечивающие теплостой-
кость стали.
128
Глава 11. Легированные теплостойкие стали
3. Назовите два основных направления обеспечения
длительной прочности теплостойких сталей.
4. Что такое фазы Лавеса и как они воздействуют на
свойства стали?
5. Назовите основные проблемы свариваемости тепло-
стойких сталей.
6. К чему приводит значительная разница в легирова-
нии шва и основного металла ?
7. Для чего рекомендуется подогрев при сварке?
8. Почему при сварке теплостойких сталей под флю-
сом рекомендуются низкоактивные флюсы?
9. Дзя чего рекомендуется высокий отпуск после сварки ?
5 Зак 61
- . - Глава 12 - —-—-----
КОРРОЗИЯ
12.1. Основные понятия и виды коррозии
Коррозией называется разрушение металлов и сплавов
в результате химического или электрохимического воз-
действия на их поверхность внешней среды. В основе
процессов коррозии металлов и сплавов лежит явление
окисления. Образование окислов металлов в большин-
стве случаев для земных условий является термодинами-
чески естественным, так как соответствует снижению
потенциальной энергии системы металл — среда. Имен-
но поэтому большинство металлов в природе существует
в виде руд, т. е. окислов, и на их восстановление требу-
ются затраты энергии.
Коррозия ведет к прямым и косвенным потерям при
эксплуатации деталей и сооружений, в том числе свар-
ных. К прямым потерям относятся: стоимость потерян-
ного металла, изготовленных узлов и машин, снижение
срока службы изделий и затраты на противокоррозион-
ные мероприятия. Косвенные потери связаны с времен-
ным выходом оборудования и сооружений из строя или
их простоями, получением некачественной продукции,
увеличением расходов на ремонт, ущербом окружающей
среде и т. д.
Интенсивность взаимодействия металла или сплава
с коррозионной средой зависит от свойств самого мс-
130
Глава 12. Коррозия
галла и окружающей среды. Сварка как технологичес-
кий процесс всегда вызывает локальное изменение
свойств исходного металла в определенной зоне, и, сле-
ювательно, эти зоны будут обладать иным характером
взаимодействия металла со средой эксплуатации.
Химическая коррозия — это взаимодействие металла
со средой, при котором окисление металла и восстанов-
ление окислительной компоненты среды протекают в
одном акте. При этом во взаимодействующей системе не
возникает электрического тока, а происходит обмен
злектронами между металлом и окислителем. К таким
видам взаимодействия металла и среды относятся его
реакции с кислородом, хлоридами, галогенами, с кис-
лородсодержащими газами при отсутствии влаги. На-
пример:
Fe + 0,5О2 -> FcO (12.1)
В приведенном примере атом железа Fe отдает свои
2 электрона, превращаясь в положительный ион Fe++,
а атом кислорода получает 2 электрона, превращаясь в
отрицательный ион О- -. Образовавшаяся система урав-
новешена и обладает минимумом потенциальной энер-
1ИИ. В общем виде подобные реакции можно записать:
Me + X -> МеХ (12.2)
По условиям протекания процесса окисления разли-
чают следующие виды химической коррозии:
1) газовая коррозия — коррозия металлов и сплавов,
вызываемая действием газов или воздуха при вы-
соких температурах;
2) коррозия в неэлектролитах, т. е. в жидкостях, не
проводящих электрический ток (сернистая нефть,
бензин, мазут, спирты) при нормальных и повы-
шенных температурах.
131
Материалы и их поведение при сварке
Продукт взаимодействия кислорода с металлом — ок-
сид образует на поверхности металла пленку, которая
снижает химическую активность металла и тормозит про-
цесс дальнейшего окисления. В зависимости от толщи-
ны оксидные пленки подразделяются на тонкие (невиди-
мые), толщиной до 40 нм; средние (видимые как цвета
побежалости) — 40...500 нм; толстые — более 500 нм.
Оксидные пленки могут быть сплошными и не-
сплошными. Условие сплошности выражается соотно-
шением молекулярных объемов VOKC/ VMc > I При vOKt/
VMc < 1 оксид является пористым и не защищает металл
от дальнейшего окисления.
Скорость образования оксидных пленок определяет-
ся взаимной двусторонней диффузией среды в металл и
металла в среду. На скорость газовой коррозии влияют
температура, состав газовой среды и состояние поверх-
ности металлов. Температура увеличивает скорость кор-
розии, что видно из соотношения:
в
VKoP=A-e т> О2-3)
где VKop — скорость коррозии; А, В — константы; е —
основание натуральных логарифмов; Т — абсолютная
температура.
Для защиты от газовой коррозии используют, глав-
ным образом, жаростойкие стали, основными легирую-
щими в которых чаще всего являются хром, алюминий
и кремний. Например, введение в железоуглеродистый
сплав 12% Сг делает его пассивным к кислороду не толь-
ко при нормальных температурах, но и при нагревании
до Т < 700 °C за счет образования на поверхности окис-
ла типа Сг2О3 или шпинели (Сг, Fe)2O3. Кроме того, для
защиты от газовой коррозии можно использовать за-
132
Глава 12. Коррозия
щитные атмосферы (инертные газы) или специальные
защитные покрытия.
Разновидностью химической коррозии, как указыва-
лось, является коррозия металлов в неэлектролитах, где
активными реагентами являются сера, сероводород, се-
роуглерод и др. Основными средствами борьбы против
коррозии в неэлектролитах является использование кор-
розионностойких (нержавеющих) или алитированных
сталей и сплавов.
Электрохимическая коррозия — это процесс замедлен-
ного разрушения металлов и сплавов при воздействии
на них электролитов. К ним относятся растворы кислот,
щелочей, солей, техническая вода. Известно, что моле-
кулы электролита при растворении в воде диссоцииру-
ют, т. е. распадаются на положительно заряженные
ионы — катионы и отрицательно заряженные — анионы
(соль NaCl -> Na++Cl'j кислота HNO3 —> H++NO3'; ще-
лочь NaOH -> Na++OH ). Наличие разнозаряженных
ионов объясняет электропроводность водных растворов
электролитов.
Различают слабые и сильные электролиты. Даже
вода, хотя и в небольшой степени, является электроли-
том Н2О -> Н++ОН’. Недиссоциированные молекулы
воды являются полярными молекулами — диполями. В ре-
зультате взаимодействия катионов и анионов с поляр-
ными молекулами воды образуются гидратированные
ионы. Процесс гидратации сопровождается выделением
энергии. При соприкосновении металлической повер-
хности с раствором электролита (рис. 12.1) происходит
взаимодействие между электрически заряженными ча-
стицами раствора (катионами, анионами, гидратирован-
ными ионами) и ион-атомами металла, находящимися
на поверхности, что приводит к переходу последних в
раствор в виде гидратированных ионов. Источником
133
Материалы и их поведение при сварке
энергии, необходимой для разрыва связи между ион-
атомом и электроном, является процесс гидратации.
Когда ион-атом металла переходит в раствор, на по-
верхности металла остается эквивалентное количество
электронов, которые в раствор не переходят и сообща-
ют участку металла локальный отрицательный заряд
(излишек электронов). Поверхность такого металла ста-
новится электрохимически неоднородной.
Таким образом, основное отличие электрохимичес-
кой коррозии от химической состоит в том, что корро-
зионный процесс возникает в результате протекания
тока во множестве коротко замкнутых гальванических
элементах, образующихся из-за микрохимической не-
134
Глава 12. Коррозия
однородности локальных участков металла. При этом
одновременно протекают два электродных процесса:
1. Анодный процесс — переход металлических ион-
атомов в раствор в виде катионов с оставлением
соответствующего количества избыточных элект-
ронов на поверхности металла.
2. Катодный процесс — ассимиляция избыточных
электронов ионами или гидратированными моле-
кулами в электролите (деполяризаторами), кото-
рые при этом восстанавливаются.
Без протекания второго процесса первый (растворе-
ние металла) должен был бы скоро прекратиться.
Наличие электронной проводимости у металла и
ионной проводимости у растворов электролита позво-
ляет анодным и катодным процессам протекать раздель-
но на различных микроучастках поверхности металла.
Участок металла, который растворяется, называется
анодом, а участок, на котором имеет место разряд избы-
точных электронов, — катодом. При протекании этих
двух процессов имеют место перетекание электронов в
металле от анодных участков к катодным и соответству-
ющее перемещение катионов и анионов в растворе.
Таким образом, металл при взаимодействии с элект-
ролитом заряжается отрицательно или положительно,
приобретая определенный электрохимический потенциал.
Это позволяет оценивать устойчивость (или склонность)
металла к взаимодействию со средой по величине и зна-
ку электрохимического нормального (стандартного) по-
тенциала [6].
Стали и сплавы, взаимодействующие с электролита-
ми, можно рассматривать как многоэлектродные галь-
ванические элементы, состоящие из большого числа
расположенных на поверхности микрогальванических
пар. Это объясняется различными свойствами микро- и
макроструктуры, наличием неметаллических включе-
135
Материалы и их поведение при сварке
ний, разного уровня дефектности кристаллической ре-
шетки и т. д.
Имеются также и другие причины возникновения ло-
кальных коррозионных пар:
1) наличие на поверхности металла несплошных
продуктов коррозии (ржавчины, окалины) или не-
сплошных (поврежденных) защитных металличес-
ких покрытий (хром, никель, цинк), являющихся
локальными катодами (менее анодными);
2) неоднородность напряженного и структурного со-
стояния участков металла: более напряженные и
деформированные участки металла (местный на-
клеп, местный изгиб, околошовная зона) являют-
ся более анодными и растворяются быстрее;
3) контакт пар металлов с различным по знаку элек-
трохимическим потенциалом (сталь + медь, сталь
+ цинк, и т. п.).
На рис. 12.2 показаны схемы возникновения коррози-
онных элементов, а на рис. 12.3 представлена схема рас-
положения коррозионных пар в сварном соединении
Одним из важнейших факторов коррозии металлов в
водных растворах кислот, щелочей и в технической воде
является водородный показатель pH, т. е. логарифм кон-
центрации ионов водорода в растворе, взятый с обрат-
ным знаком:
PH = -LgCh, (12.4)
где Ch — концентрация ионов водорода.
136
Глава 12. Коррозия
Рис. 12.2. Схема образования коррозионных элементов:
а) царапина; б) вмятина; в) окалина; г) местный наклеп;
д) и е) сварные швы: кольцевой (д) и продольный (е).
А — анод; К — катод
Рис. 12.3. Схема коррозии сварного соединения: ф — электродные
потенций чы основного металла, шва, околошовнои зоны
137
Материалы и их поведение при сварке
Величина pH определяет кислый (pH < 7), нейтраль-
ный (pH = 7) или щелочной (pH > 7) характер среды и
влияет на скорости коррозии металла в той или иной
среде (рис. 12.4).
Рис. 12.4. Кривые скорости растворения металлов в зависимости
от pH раствора: 1 — железо; 2 — алюминий; 3 — титан
Согласно ГОСТ 5272—66 различают следующие вилы
коррозии:
1) атмосферная коррозия — в атмосфере воздуха;
2) подземная коррозия — в почвах и грунтах;
3) коррозия блуждающим током, возникающая от
внешнего источника;
4) контактная коррозия — электрохимическая кор-
розия, вызванная контактом элементов или учас-
тков с разными потенциалами;
5) биокоррозия — под влиянием жизнедеятельности
микроорганизмов;
6) коррозия при полном погружении — когда металл
полностью погружен в жидкую среду;
7) коррозия при неполном погружении;
138
Глава 12. Коррозия
8) щелевая коррозия — коррозия в узких зазорах и
щелях между двумя металлами или участками ме-
талла;
9) коррозионное растрескивание — при одновремен-
ном воздействии среды и растягивающих напря-
жений;
10) газовая коррозия — химическая коррозия при вы-
соких температурах в среде газов;
И) морская коррозия — в среде морской воды.
Атмосферная коррозия приносит наибольший урон:
80% всего используемого металлофонда и 50% всех по-
терь металла является результатом атмосферной корро-
зии. Атмосферная коррозия в зависимости от толщины
слоя влаги на поверхности металла разделяется на сухую,
влажную и мокрую (рис. 12.5).
Рис. 12.5. Вилы атмосферной коррозии: I — сухая; II — влажная;
III — мокрая; IV — с полным погружением
Интенсивность атмосферной коррозии зависит от
количества кислорода, поступающего к корродируемой
поверхности. Поэтому очень тонкие пленки атмосфер-
ной влаги опаснее (высокое насыщение кислородом).
Усиливает агрессивность атмосферы ее загрязнение кор-
розионно-активными агентами (H2S, NH3 MgCl2).
139
Материалы и их поведение при сварке
Особо обращают внимание на местные избиратель-
ные виды коррозии сварных соединений из хромистых
и хромоникелевых сталей — межкристаллитную (МКК)
и коррозию под напряжением. Известно [8] три меха-
низма возникновения МКК:
1) обеднение границ зерен хромом за счет образова-
ния равновесных для данных температурно-вре-
менных условий карбидных или карбонитридных
фаз (Сг23С6, Сг7С3 при Т = 450...900 °C и TiC, NbC
приТ= 1200... 1250 °C);
2) образование карбида железа Fe3C по границам зе-
рен и снижение их стойкости к агрессивной среде;
3) сегрегация поверхностно-активных элементов в за-
данных температурных условиях (S, Р, Si, Pb) по
границам зерен, снижающая их стойкость к среде.
По первому механизму МКК развивается в сварных
соединениях из сталей и сплавов аустенитного класса,
а по третьему и частично первому — в сталях мартенсит-
но-ферритного, мартенситного и ферритного классов.
Температурно-временная область возникновения МКК
представлена на рис. 12.6. Следует отметить, что Ni, Si
и Со, повышая термодинамическую активность углеро-
да, способствуют увеличению количества карбидов и
понижают значение времени сохранения стойкости
стали к агрессивной среде. В то же время Мп, Mo, W, V,
Nb, Ti повышают стойкость стали и сварного соедине-
ния против МКК.
Коррозия под напряжением сварных соединений воз-
никает вследствие:
— сообщения металлу добавочной энергии, в связи
с чем иону Ме+, находящемуся на поверхности,
легче покинуть кристаллическую решетку дефор-
мированного металла по сравнению с недсформи-
рованным;
140
Глава 12. Коррозия
Рис. 12.6. Температурно-временная область
склонности к М КК
— нарушения сплошности и защитных свойств по-
верхностных пленок под действием деформации;
— повышения степени неоднородности и появления
новых анодных участков при выходе на поверх-
ность дефектов кристаллического строения (дис-
локаций, вакансий).
Для сварных соединений, как указывалось, чрезвычай-
но опасными являются также межкристаллитная (в час-
тности, ножевая) коррозия и коррозионное растрески-
вание.
Для сравнения скоростей общей коррозии использу-
ют шкалу коррозионной стойкости (табл. 12.1).
Особенности и механизмы коррозионных разрушений
сварных соединений зависят от физико-химического воз-
действия процесса сварки, вызывающего появление раз-
личного вида неоднородностей, неблагоприятных изме-
нений структуры и свойств металла и напряженного
состояния. Например, как было показано на рис. 12.3,
сварное соединение в коррозионном отношении пред-
141
Материалы и их поведение при сварке
Таблица 12.1
Шкала коррозионной стойкости
Группа стойкости Скорость коррозии, мм/год Балл стойкости
Совершенно стойкие 0,001 1
Весьма стойкие 0.001...0,005 0.005-0,01 2 3
Стойкие 0,01...0,05 0,05-0.1 4 5
Пониженно-стойкие 0,1...0,5 0,5... 1,0 6 7
Малостойкие 1,0—5.0 5,0-10,0 8 9
Нестойкие 10,0 и более 10
ставляет собой сложную многоэлектродную короткозамк-
нутую электрохимическую систему, характерными макро-
электродами которой являются шов, зона термического
влияния (с серией переходных структур) и основной
металл.
Процесс коррозионного растрескивания сварных со-
единений при статических и динамических нагрузках в
кислых средах протекает быстрее, чем в нейтральных и
щелочных, и состоит из двух основных этапов:
• зарождения трещины и инкубационного периода;
• развития трещины, складывающейся из времени
докритического роста, и последующего лавинооб-
разного разрушения.
Установлено, что при усталостном характере нагру-
жения скорость разрушения поверхности сварного со-
единения в присутствии коррозионной среды резко воз-
растает.
Для большинства сочетания металлов и контактиру-
емых сред имеются определенные пороговые значения
напряжений стпор, ниже которых растрескивания не про-
142
Глава 12. Коррозия
исходит вообще или на определенной базе испытаний.
Как правило, о„0р изменяются в интервале (0,2... 1,0) аг
[16], а характер зависимости их от времени показан на
рис. 12.7. Установлено, что чем выше уровень напряжен-
ности сварных соединений (о^ + аШ1Н), тем сильнее
сказывается влияние концентраторов напряжений на
снижение значения пороговых напряжений.
Рис. 12.7. Зависимость разрушающих напряжений от времени
испытаний
Методы оценки сопротивляемости сварных соединений
коррозионному разрушению классифицируются [8, 11]:
1 — по целевому назначению; 2 — по типу объекта; 3 —
по типу сред; 4 — по виду напряженного состояния;
5 — по показателям сопротивляемости разрушению.
По всем перечисленным методам сравнивают резуль-
таты испытаний сварного элемента (шов, зона термо-
влияния) с основным металлом, а изменения того или
иного показателя оценивают относительными коэффи-
циентами, показывающими изменение свойств метал-
ла шва Кмш или сварного соединения в целом Кс за вре-
мя испытания в среде относительно основного металла.
143
Материалы и их поведение при сварке
12.2. Методы коррозионных испытаний
Методы коррозионных испытаний сварных соедине-
ний на общую коррозию предусматривают выдержку
образцов в заданной среде в течение определенного вре-
мени. Как правило, для оценки стойкости против общей
коррозии без нагружения применяют гравитометричес-
кий (г/м2 ч) или профилографический (мм/год) мето-
ды. Размеры сечения образцов составляют 25x50 или
25x70 мм. Перевод показателя потерь массы с единицы
площади за 1 час на показатель h — глубины коррозии
осуществляется по формуле:
h = 8.76-^, (12.5)
где q — массовая скорость коррозии, г/м2 • ч; у — плот-
ность, г/см3.
Кроме таких испытаний испытывают образцы при
растяжении или изгибе, оценивая значение о, МПа или
Р, кг, при которых глубина коррозии достигает норми-
руемой (допускаемой) величины.
Сварные соединения, подверженные местной корро-
зии, оценивают профилографическим методом, произ-
водя механические испытания и устанавливая влияние
коррозии на снижение значений ов, ог и 6.
Испытания на межкристаллитную коррозию сталей
стандартизированы (ГОСТ 6032-89) и осуществляются
путем провоцирующего нагрева в той или иной среде
(как правило, в среде CuSO4) и последующего выявле-
ния сетки наружных трещин при изгибе образцов задан-
ных размеров и уровня снижения прочности.
Для оценки склонности сварных соединений к кор-
розионному растрескиванию их испытывают в той или
144
Глава 12. Коррозия
иной среде при постоянном напряжении (растяжение,
изгиб) или при постоянной скорости деформирования.
В последние годы нашли применение металлографи-
ческие, электрон но-графические, электрохимические и
другие специальные методы исследований влияния кор-
розии на служебные характеристики сварных соедине-
ний [6].
Сопротивляемость разрушению сварных соединений
и конструкций в агрессивных средах можно повысить;
• путем улучшения антикоррозионных свойств ме-
талла (выбор марки основного металла, регулиро-
вание состава шва и его структуры, изменение
типа шва, рациональные режимы сварки и после-
сварочной обработки);
• путем улучшения напряженного состояния свар-
ного соединения и конструкции в целом (рацио-
нальное конструирование, исключение концент-
раторов напряжений, избежание расположения
швов в высоконапряженных зонах, предваритель-
ный и сопутствующий подогрев, ультразвуковая
обработка и т. д.);
• уменьшением агрессивности среды (понижением
ее концентрации или температуры) или изоляци-
ей сварного соединения от среды (гальванические,
диффузионные, плакировочные покрытия, элек-
трохимическое плакирование, лаки и краски);
• путем разного сочетания указанных вариантов.
Что касается непосредственно коррозионностойких
лустенитных сталей, то стойкость против межкристал-
литной коррозии сварных соединений в них можно
улучшить за счет:
• уменьшения содержания углерода в сталях;
145
Материалы и их поведение при сварке
• создания в швах двухфазной (аустенитно-феррит-
ной) структуры с содержанием второй фазы до
10...20%;
• использования высоких скоростей нагрева и ох-
лаждения металла при сварке в области критичес-
ких температур при сварке;
• гомогенизации сварных соединений (закалка с
Т = 1050... 1100 °C или стабилизирующий отжиг в
течение 2...4 ч при Т = 850...900 °C).
Вопросы для самопроверки
1. Что называется коррозией и какое явление лежит
в ее основе?
2. Почему сварное соединение более склонно к коррозии ?
3. На какие виды разделяется химическая коррозия ?
4. Как подразделяются оксидные пленки в зависимос-
ти от их толщины?
5. В чем сущность процесса электрохимической коррозии ?
6. Как называется микроучасток металла на поверх-
ности, который растворяется в электролите?
7. Назовите причины, способствующие возникновению
локальных коррозионных элементов.
8. Назовите причины возникновения МКК.
9. Назовите пути повышения сопротивляемости свар-
ного соединения к коррозии.
10. Что называется коррозионным растрескиванием?
—- - - . Глава 13 — — - - —— -
ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫЕ
КОРРОЗИОННОСТОЙКИЕ СТАЛИ
13.1. Общая характеристика сталей
В зависимости от свойств и назначения высоколеги-
рованные стали подразделяются на следующие группы:
коррозионностойкие, обладающие стойкостью против
электрохимической коррозии при высоких и нормаль-
ных температурах; жаростойкие (окалиностойкие), обла-
дающие стойкостью против химической коррозии в га-
ювых средах при Т > 500 °C и эксплуатирующиеся в
не нагруженном или слабонагруженном состоянии; жа-
ропрочные, работающие в нагруженном состоянии при
высоких температурах в течение длительного времени и
обладающие при этом достаточной окалиностойкостью.
Самостоятельную по назначению группу составляют
хладостойкие стали и сплавы, хотя стандартами они не
выделяются. Эти стали могут длительно (t3KCluI > 100000 ч)
эксплуатироваться при температурах вплоть до Тэкспп =
- -269 °C.
В технической литературе [5, 6] все названные груп-
пы сталей иногда называют нержавеющими, так как все
они являются коррозионностойкими в атмосферных
условиях.
147
Материалы и их поведение при сварке .
По степени легирования их можно разделить на два
основных класса:
1) хромистые, имеющие после охлаждения на возду-
хе мартенситную, мартенситно-ферритную или
ферритную структуру;
2) хромоникелевые, имеющие после охлаждения, как
правило, аустенитную или аустенитно-ферритную
структуру (ГОСТ 5632-72).
Основными легирующими в них являются хром и
никель. Хром пассивирует (повышает электродный по-
тенциал <ркор) железоуглеродистых сплавов и сохраняет
защитные свойства окисной пленки при высокой тем-
пературе. Никель при значительных его добавках (Ni >
10%) стабилизирует структуру аустенита, снижает тем-
пературу образования мартенсита Тмн и обеспечивает
сталям высокие механические и технологические свой-
ства (пластичность, вязкость и т. п.), сохраняя и повы-
шая их коррозионную стойкость в депассивирующих
средах (шелочах, расплавах солей и т. п.).
В меньших количествах в высоколегированные ста-
ли добавляют молибден, алюминий, кремний и др. Мо-
либден придает им стойкость против коррозии в восста-
новительных средах, органических кислотах, особенно
в средах, содержащих ионы хлора. Алюминий и крем-
ний повышают стойкость к коррозии в окислительных
средах (HNO3, К?Сг4О7). Для придания специальных
свойств стали и сплавы легируют и другими элемента-
ми (Ti, Nb, V, W, Si).
Из рассмотренных ранее (см. гл. 10) низколегирован-
ных сталей коррозионной стойкостью в атмосферных
условиях обладают стали, легированные медью в коли-
честве 0,3...0,8% (10ХСНД, 15ХСНД, 10ХНДП и т. д.).
148
Глава 13. Высоколегированные коррозионностойкие стали
13.1.1. Хромистые стали
Анализ диаграммы состояния системы Fe-Cr
(рис. 13.1) показывает, что преобладающей фазой в этой
системе является феррит. При концентрации углерода в
стали С < 0,1% и Сг < 12% область аустенита существу-
ет лишь в интервале температур 865... 1400 °C (замкну-
тая у-петля на рис. 13.1). Такие сплавы могут подвергать-
ся термической обработке с целью получения того или
иного количества упрочняющей структуры. С увеличе-
нием содержания углерода в стали (0,1 < С < 0,25%)
у-петля расширяется и возможности получения пересы-
щенных твердых а-растворов при охлаждении возрастают.
Рядом с у-петлей находится область двухфазной аус-
тенитно-ферритной структуры. В этой области структу-
ру сплава следует рассматривать как полуферритную,
г е. в ней происходит частичное а <-> у превращение при
нагреве и охлаждении. Поэтому такие сплавы (Сг =
12...13%) частично упрочняются за счет закалки. Сте-
пень упрочнения будет зависеть от исходного количе-
ства углерода в стали: чем его больше, тем больше уп-
рочнение.
Сплавы с содержанием хрома более 13% при всех
температурах имеют стабильную структуру феррита.
Они нс могут быть упрочнены закалкой из-за отсутствия
фазовых превращений.
Таким образом, высокохромистые стгити в зависимо-
сти о г содержания углерода и уровня легирования мо-
I ут быть мартенситными, ферритно-мартенситными и
ферритными.
На диаграмме выделена область немагнитной о-
фазы, т. е. интерметаллического соединения Fe-Cr. Она
весьма хрупкая, твердая, обладает повышенным удель-
149
Материалы и их поведение при сварке
Рис. 13.1. Диаграмма состояния системы железо-хром
ным объемом, что при технологических воздействиях на
сталь (например, при сварке) приводит к снижению ее
пластичности, вязкости и к возможности образования
трещин.
Рассмотренные области существования отдельных
фаз в системе Fe — Сг существенно зависят и от содер-
жания других легирующих элементов (Ni, Mo, V) но,
в первую очередь, от содержания углерода. Чем больше
углерода и шире у-петля, тем больше должно быть хро-
ма, чтобы получить устойчивую ферритную структуру.
Соотношением между количеством углерода и хрома оп-
ределяются и другие особенности системы. В частности,
образующийся при повышенном содержании углерода
ряд весьма прочных карбидов типа Сг23С6, Сг7С3, Сг3С,
во-первых, уменьшает концентрацию хрома в твердом
растворе и снижает его коррозионную стойкость, а, во-
вторых, приводит к появлению локальных участков (гра-
ниц зерен), полностью нестойких к агрессивной среде,
т. с. к возникновению межкристаллитной коррозии.
150
Глава 13. Высоколегированные коррозионностойкие стали
В качестве коррозионностойких конструкционных
получили распространение три группы сталей:
I. Стали с содержанием Сг = 10... 13% и небольшими
добавками Ni, Mo, V, W), попадающие в область
полного или частичного фазового превращения
(мартенситные или мартенситно-ферритные). К ним
относятся: 20X13, 15X11МФ, 15Х12ВНМФ и др.,
обладающие стойкостью против общей коррозии в
атмосферных и слабоагрессивных средах.
2. Стали с частичным фазовым превращением (фер-
ритно-мартенситные) и содержащие Сг = 13...17%.
К ним относятся стали 08X13, 12X13, 08X14МФ,
14Х17Н2 и др., близкие по коррозионной стойкос-
ти к предыдущим сталям, но обладающие более вы-
сокой пластичностью и вязкостью при обработке.
3. Стали, не имеющие фазовых превращений (фер-
ритные) и содержащие хрома 18...28%. К ним от-
носятся: 08X17, 08Х17Т, 15Х25Т, 5X28 и др., стой-
кие к коррозии в окислительных средах.
Коррозионная стойкость хромистых сталей суще-
ственно зависит и от режимов исходной термической
обработки. Оптимальной в этом смысле являются закал-
ка с отпуском. В зависимости от содержания углерода,
других легирующих и условий эксплуатации возможно
также использование как низкого, так и высокого отпус-
ка. Нарушение режимов термообработки (например,
очень высокая скорость охлаждения с высоких темпе-
ратур) может вызвать либо появление трещин (сохраня-
ется крупное зерно), либо появление склонности к меж-
кристаллитной коррозии (выпадают и коагулируют
карбиды).
Существенную роль в обеспечении коррозионной
стойкости играет состояние поверхности металла: поли-
рованная поверхность более стойкая, чем обработанная
резцом или резаком.
151
Материалы и их поведение при сварке
13.1.2. Хромоникелевые стали
Основным элементом, обеспечивающим коррозион-
ную стойкость в этих сталях, также является хром. Ни-
кель обеспечивает сталям высокую технологичность при
обработке, что позволяет получить сталям уникальный
комплекс служебных свойств и использовать их как кор-
розионностойкие, жаростойкие, жаропрочные и крио-
генные. Железоникелевые сплавы не имеют особых пре-
имуществ перед хромистыми, поэтому практическое
применение нашли коррозионностойкие стали системы
Fc-Cr-Ni без дополнительных присадок или с присад-
ками Ti, Nb, Мо, Си и др. Введение никеля в систему
Fe-Cr расширяет область существования аустенита и
снижает критическую скорость охлаждения его распа-
да. Он становится устойчивым как при высоких и нор-
мальных, так и при низких температурах. Кроме того,
хром в тройной системе также расширяет область у-
фазы. Из диаграммы (рис. 13.2) следует, что для полу-
чения однофазной структуры аустенита при повышен-
ных температурах нельзя увеличивать содержание хрома
свыше 20%. Как видно из диаграммы, в системе Fe-Cr-
Ni в широком диапазоне концентраций по хрому и ни-
келю при Т = 800...950 °C также образуется а-фаза
(FeCr). Легирование сталей Ti, Al и другими феррити-
заторами способствует снижению температуры образо-
вания a-фазы до 600...650 °C, а легирование аустениза-
торами (N, С и др.) тормозит ее образование.
Анализ рассмотренной диаграммы показывает, что
содержание в сплаве 18... 19% Сг и 8... 10% Ni (при С <
0,08...0,1%) является оптимальным составом для сохра-
нения структуры аустенита. При этом сталь, представ-
ляя собой практически однородный твердый раствор
углерода в у-железе, получает оптимальные характери-
152
Глава 13. Высоколегированные коррозионностойкие стали
25 15 5 Сг’%
Рис. 13.2. Пссвдобинарный разрез диаграммы состояния
сплавов 75% Fe-Cr-Ni
стики пластичности и вязкости, требуемый уровень кор-
розионной стойкости и хорошие технологические свой-
ства (например, свариваемость).
Такая сталь значительно превосходит по коррозион-
ной стойкости высокохромистые стали ферритного и
иолуферритного классов. Однако аустенитная структу-
ра такой стали (типа 18—8) не всегда является стабиль-
ной и зависит от колебаний содержания углерода и теп-
юного режима технологической обработки. С ростом
(о шржания углерода в структуре появляется феррит,
л при нагреве до Т = 450...850 °C выпадают карбиды типа
< гпС6. При холодной пластической деформации в ней
обра зуегся мартенсит, упрочняющий структуру и повы-
шающий се чувствительность к концентраторам напря-
*гнии. Избежать таких изменений можно снижением
содержания углсро ia до 0,008...0,01%. Технологически
• к» не всегда оправдывается, поэтому в подавляющем
Материалы и их поведение при сварке
большинстве структуры сталей этого типа являются аус-
тснитно-ферритными с тем или иным количеством кар-
бидной фазы. Стали аустенитно-ферритного класса бо-
лее склонны к межкристаллитной коррозии (МКК) и
это ограничивает их применение для некоторых агрес-
сивных сред или температур эксплуатации. Такие леги-
рующие элементы как N, Si, Со способствуют появле-
нию карбидов хрома, а Мп, Mo, Ti, Nb, W и V, образуя
собственные карбиды, уменьшают количество карбидов
хрома и, следовательно, уровень межкристаллитной
коррозии.
Температурный интервал Tmax — Tmiri образования кар-
бидов и минимальное время tmin, обеднения зерна хро-
мом, называется сенсибилизацией (см. гл. 12.1).
Значительным недостатком хромоникелевых сталей,
ограничивающим их использование в качестве коррози-
онностойких, является склонность к коррозионному ра-
стрескиванию в растворах хлоридов. Напомним, что
пороговые напряжения этих сталей составляют спор -
= (0,2...0,4) от, что существенно ограничивает допуска-
мыс нагрузки при наличии коррозионной среды.
Указанные хромоникелевые стали в зависимости от
состава и структуры можно разделить на следующие
группы:
1. Аустенитные стал и марок 08Х18Н10, 08Х18 Н1 ОТ,
12Х18Н12Т Они содержат З...6% феррита и ис-
пользуются для агрессивных сред типа HNO3 раз-
личных концентраций и температур, серной кис-
лоты H2SO4 100% концентрации при Траб < 70 °C,
а также в атмосферных условиях. Эти стали неред-
ко могут использоваться как теплостойкие, жаро
прочные и хладостойкие.
2. Аустенитно-ферритные стали марок 08Х22Н6Т,
12X21Н5Т, 03Х23Н6, содержащие ферритной фазы
154
Глава 13. Высоколегированные коррозионностойкие стали
до 40% и использующиеся в производстве хими-
ческой и пищевой аппаратуры, эксплуатируемой
в интервале температур до Траб < 350 *С.
3. Аустенитно-мартенситные стали марок 07Х16Н6,
09X15Н8Ю, 10Х15Н4АМЗ используются как вы-
сокопрочные для изделий, работающих в атмос-
ферных условиях, в уксуснокислых и солевых ра-
створах, а также в узлах криогенной техники.
К группе сталей, обладающих более высокой стойко-
стью к агрессивным средам по сравнению с хромонике-
левыми, относятся также хромомарганцевоникелевыс
(например, 10Х14Г14Н4Т, 07Х21Г7АН5) и хромоникель-
молибдсновыс (08Х21Н6М2Т, 08Х17Н13М2Т, и т. д.).
Введение Мп и Мо в хромоникелевые стали способству-
ет их упрочнению, сохранению ударной вязкости, стаби-
лизации структуры. Используя термическую обработку,
можно в этих сталях добиться полностью аустенитной
или аустенитно-ферритной структуры с низким содер-
жанием феррита (З...6%).
В заключение характеристики хромистых и хромо-
никелевых сталей следует указать на их достаточно вы-
сокие механические свойства. Их средние численные
шачения (<тв = 550...650 МПа, от = 350...400 МПа, 5 =
?5. .40 и KCU = 55...60 Дж/см2) в широком диапазоне
кмпсратур позволяют использовать стали для широкой
Н оменклатуры изделий в химической, нефтехимической
и шергетической промышленности.
13.2. Характеристики свариваемости
Рассмотрение вопроса начнем со свариваемости высо-
кохромистых сталей ферритного класса (08X17Т, 15X28).
Основной проблемой свариваемости является их склон-
inx ii, к резкому охрупчиванию под действием свароч-
155
Материалы и их поведение при сварке
ного нагрева (значения KCU в околошовной зоне ста-
новятся недопустимо низкими). Охрупчивание объясня-
ется как образованием твердого раствора, пересыщен-
ного С и N (из-за диссоциации карбонитридов при Т >
1150 °C), так и интенсивным ростом зерна аустенита.
Наибольший рост зерна при сварке происходит на уча-
стке перегрева при Ттах < Тсол,т. е. вблизи линии сплав-
ления. Ширина охрупченного участка может достигать
2,5...3,0 мм и практически никакой термообработкой не
устраняется. Повышение хрупкости происходит также
при длительной эксплуатации сварных соединений при
Т > 550...850 °C из-за выпадения в зоне термического
влияния о-фазы и из-за так называемой «475-й хрупко-
сти». Поэтому основным критерием свариваемости фер-
ритных хромистых сталей (08X17Т, 15Х25Т и т. д.) явля-
ется значение температуры перехода в хрупкое состояние
(Ткр). Определение Ткр производится при сварке техно-
логических проб, выполняемых на различных режимах
сварки, с использованием различных по химсоставу сва-
рочных материалов (электродов, проволок). Подогрев
металла при сварке зависит от химического состава шва
и составляет Тпод = 150...200 °C. При сварке необходи-
мо обеспечивать достаточно высокие скорости охлажде-
ния (100 °С/с) сварного соединения. Это обстоятельство
ограничивает области применяемых тепловых режимов
сварки (погонных энергий).
Повышение чистоты исходного металла и шва (сни-
жение вредных примесей, подготовка поверхности кро-
мок, достаточное раскисление, защита ванны), повыше-
ние содержания углерода существенно снижают значение
Ткр и трещинообразование.
Ферритно-мартенситные хромистые стали (08X13,
12X13, 08Х14МФ и т. д.) характеризуются меньшей
склонностью к охрупчиванию и образованию холодных
156
Глава 13. Высоколегированные коррозионностоикие стали
трещин при скоростях охлаждения сварного соединения
соохл > 10 "С/с. Степень склонности к закалке зависит от
режимов сварки и оценивается по технологическим про-
бам на свариваемость. Как правило, эти стали сварива-
ются без предварительного и сопутствующего подогрева.
Он применяется лишь при сварке элементов толщиной
более 10 мм (Тпод = 150...250 °C). После сварки необхо-
дима термообработка (улучшение). Положительное вли-
яние на снижение трещинообразования швов оказыва-
ет легирование этих сталей карбидообразующими
элементами (V, Мо). Они «забирают» часть углерода,
образуя собственные карбиды, и снижают устойчивость
аустенита, способствуя его распаду при Т ® 300сС. Это
значительно уменьшает количество образующегося мар-
тенсита и, как правило, не требует послесварочной тер-
мообработки.
Мартенситные хромистые стали (20X13, 15X11 МФ,
I2XI1В2МФ и др.) весьма склонны к холодным трещи-
нам при любых способах сварки, погонных энергиях и
скоростях охлаждения. При содержании в стали углеро-
да С > 0,1% мартенсит обладает высокой степенью тет-
рагональности (искажение а-решетки) и поэтому очень
хрупок. Снижение содержания углерода, с одной сторо-
ны, повышает вязкость мартенсита, а с другой — при-
водит к образованию высокотемпературного 5-феррита,
что, в свою очередь, также повышает хрупкость в про-
цессе непрерывного охлаждения или в процессе выдер-
жки после сварочного нагрева. Поэтому содержание уг-
1срода в швах из этих сталей не должно превышать 0,2%.
11редотвращение образования холодных трешин в сварных
соединениях из этих сталей достигается предварительным
и сопутствующим подогревом до Тпод = 200...450 °C и
ывисит от степени легирования шва. Положительное
в зияние на стойкость против холодных трещин оказы-
157
Материалы и их поведение при сварке
вает подогрев после сварки до Т = 150...200 °C («отдых»).
Кроме того, легирование сварных швов из мартенситных
сталей небольшим количеством никеля (15Х12ВНМФ)
повышает их пластичность, а это позволяет снизить тем-
пературу подогрева до 100... 150 “С.
Итак, хромистые коррозионностойкие стали всех
структурных классов склонны к охрупчиванию и улуч-
шение свойств сварных соединений может достигаться
приближением состава шва к основному металлу ис-
пользованием предварительного и сопутствующего по-
догрева и послесварочной термической обработкой
(высокий отпуск при Т = 650...720 °C), а при невозмож-
ности ее проведения аустенизацией шва за счет его ле-
гирования электродными материалами.
Проблемы свариваемости хромоникелевых сталей ха-
рактеризуются: образованием крупных столбчатых кри-
сталлитов, наличием в междендритных участках приме-
сей, легкоплавких фаз (эвтектики), ростом зерна и
микрохимической неоднородностью металла из-за по-
вышенной ликвации Р, S, С, Si, особенно у линии сплав-
ления.
Свариваемость аустенитных сталей осложняется их
склонностью к горячим кристаллизационным трещинам
в шве и по линии сплавления (подсолидусные). Оцен-
ка свариваемости производится сваркой технологичес-
ких проб или расчетным способом по соотношению
Сгэкв / Ni3KB. Устранение столбчатой структуры шва и
изменение схемы его кристаллизации, получение мел-
кой аустенитно-ферритной структуры способствуют ре-
шению проблемы горячих трещин.
Другой проблемой свариваемости хромоникелевых
аустенитных сталей является появление межкристаллит-
ной коррозии в шве и зоне термического влияния (см.
гл. 12).
158
Глава 13. Высоколегированные коррозионностойкие стали
Следующим фактором, ограничивающим сваривае-
мость, также является склонность сварных соединений
к коррозионному растрескиванию, по существу опреде-
ляющую низкую долговечность сварных конструкций.
Хрупкие разрушения при криогенных температурах
(Граб <—100 °C) также ограничивают свариваемость и
использование этих сталей в сварных соединениях. Кри-
терием применимости сталей является сочетание высо-
кой исходной прочности при Т = 20 °C, пластичности,
вязкости при рабочих температурах с низкой чувстви-
тельностью к концентрации напряжений.
В связи с указанным, аустенитные стали рекоменду-
йся сваривать так, чтобы шов, как правило, отличался по
химическому составу от основного металла. Рекоменда-
ции по выбору сварочных материалов для сварки хроми-
стых и хромоникелевых сталей приведены в табл. 13.1.
Аустепитно-ферритные стали (08Х22Н6Т, 03Х23Н6 и
т. д.) отличаются от аустенитных повышенной склонно-
с гью к росту ферритного зерна в зоне термического вли-
яния, возрастанием количества 5-феррита в шве и ши-
рокой зоной перегрева, вследствие чего наблюдается
снижение ударной вязкости и пластичности околошов-
ной зоны. Стали, содержащие Nb вместо Ti, менее чув-
ствительны к термическому циклу. Охрупчивание свар-
ного соединения наблюдается в интервале температур
400...450 °C и 650...800 ’С, что требует строгого соблю-
дения тепловых режимов сварки и повышенной скоро-
сти охлаждения сварных соединений.
При равном соотношении аустенита и феррита в
структуре шва он одинаково стойкий к межкристаллит-
ной и избирательной коррозии. Поэтому состав элект-
родных материалов (см. табл. 13.1) и режимы сварки
должны назначаться, исходя из требуемого по услови-
ям эксплуатации соотношения количества аустенитной
и ферритной фаз.
159
Таблица 13.1
Сварочные материалы для сварки коррозионностойких сталей
Класс и марка стали Требования к сварным соединениям Ручная дуговая сварка Сварка под флюсом Аргонодуговая сварка
Тип или марка электрода (ГОСТ 10052-75) Марка проволоки (ГОСТ 2246-70) Флюс (ГОСТ 9087-81) Марка проволоки (ГОСТ 2246-70)
Аустенитный 12Х18Н10Т Стой кость п роти В обшей и МКК Э08Х20Н9Г2Б (ОЗЛ-7, ЦЛ-11) Св-08Х18Н10Б АН-26, АН-45, Св-08Х19Н10Б
Аустенитно- фсрритный 08Х22Н6Т 03Х23Н6 Стойкость против обшей и избира- тельной коррозии Э-08Х20Н9Г2Б (ЦЛ-П, ОЗЛ-7) СВ-06Х21Н7БТ АН-26, АН-45 Св-О6Х21Н7БТ
08Х18Н2Г8Т Стойкость против обшей и МКК ЦЛ-11, ЦТ-15-1, ОЗЛ-7 Св-06Х19Н9Т CB-04XI9H9 АН-26. АН-45, АН-18 Св-04Х19Н9
U8X21H6M2T НЖ-13.ЭА-902/14 Св-04Х19Н11МЗ АН-26, АНК-45МУ Св-04Х19Н11МЗ
Аустенито- мартенситный 07X16Н6 Стойкость против общей коррозии Э-07Х20Н9 (ОЗЛ-8) Св-07Х16Н6 Св-08Х17Н5МЗ АН-26с СВ-07Х16Н6
08Х17Н5МЗ Э-02Х19Н9Б (АНВ-13) Св-08Х2!Н10Г6 48-ОФ-6 Св-08Х21Н10Г6
Окончание табл. 13.1
Класс и марка стали Требования к сварным соединениям Ручная дуговая сварка Сварка под флюсом Аргонодуговая сварка
Тип или марка электрода (ГОСТ 10052-75) Марка проволоки (ГОСТ 2246-70) Флюс (ГОСТ 9087-81) Марка проволоки (ГОСТ 2246-70)
Ферритный 08X17Т Стойкость против охрупчивания ЦЛ-9.УОНИ/ЮХ17Т Св-10X17Т АНФ-6, ОФ-6 CB-07X25HI3
15Х25Т ЗИО-7. ЭА-48М/22, АНВД Св-07Х25Н13 ОФ 6, АН-16
Ферритно- мартенситный 08X13 Стойкость против хол одн ых тре ши н и охрупчивания Э-10Х25Н13Г2 (ОЗЛ-6) Э-12Х13(УОНИ-13/НЖ) Св-07Х25Н12Г2Т АН-26с, АНФ-14 Св- 07Х25Н12Г2Т
08Х14МФ Э-!0Х25Н13Г2(ЦЛ-25) Св-07Х25Н13 АН-26 Св-04Х20Н5М6Б
Материалы и их jfli ‘дение при сварке _ _ Глава 13. Высоколегированные коррозионностойкие стали
Материалы и их поведение при сварке
Основными проблемами свариваемости аустенит-
но-мартенситных сталей (07Х16Н6, 08Х17Н5МЗ,
09Х15Н8Ю и т. д.) являются структурные превращения
в зоне термического влияния в интервале температур
650...750 °C (о-фаза) и интенсивное выпадение карби-
дов при температурах 550...900 °C, приводящие к сни-
жению пластичности, ударной вязкости и высокой
чувствительности к концентраторам напряжений в
этой зоне. Особенно резкое охрупчивание происходит
при понижении температур эксплуатации до — 196 °C,
что объясняется повышением содержания мартенси-
та в структуре соединения. Как правило, средством
повышения пластичности и ударной вязкости соеди-
нений являются их полная термическая обработка (за-
калка, обработка холодом) и устранение концентрато-
ров напряжений.
13.3. Технологические рекомендации
по сварке
В отдельных отраслях машиностроения устанавлива-
ются специальные технологические рекомендации по
сварке хромистых и хромоникелевых сталей, контролю
качества, методам испытаний и сертификации сварных
изделий (РТМ, РД). Однако общность теплофизических
свойств сталей, некоторая типичность их химических
составов и во многих случаях одинаковый механизм
коррозии (электрохимический) позволяют сформулиро-
вать общие рекомендации по их сварке.
Сварку высокохромистых сталей ферритного, мартен-
ситно-ферритного и мартенситного классов можно осу-
ществить по двум технологическим вариантам:
162
Глава 13. Высоколегированные коррозионностойкие стали
1) с применением электродных материалов одинако-
вого или сходного с основным металлом химичес-
кого состава;
2) с применением электродных материалов аустенит-
ного или аустенитно-ферритного классов.
В первом случае соединение отличается структурной
и химической однородностью, достаточной прочностью
и пластичностью после соответствующей термообработ-
ки (отпуск при Т = 680...740 °C). При этом для сварки
соединений из высокохромистых сталей толщиной S <
< 7... 10 мм подогрева с целью устранения холодных тре-
щин не требуется. С повышением толщины свариваемых
элементов, увеличением содержания углерода и легиру-
ющих применение подогрева становится обязательным
и находится в пределах температур Тпод = 150...250 °C,
а послесварочная термообработка производится сразу
после сварки.
Во втором случае сварное соединение характеризует-
ся значительной структурной неоднородностью, усугуб-
ляемой процессами диффузии на границе сплавления,
особенно в процессе длительной эксплуатации. Это
приводит, как правило, к снижению содержания угле-
рода в шве (или вблизи линии сплавления/ заметному
уменьшению прочности соединения и возможности
появления локальных разрушений по обезуглероженно-
му слою. В то же время технология сварки значительно
упрощается, так как не требуется отпуска, а в ряде слу-
чаев и подогрева.
Независимо от вариантов технологии фактором, сни-
жающим эксплуатационную надежность сварного со-
единения, является межкристаллитная коррозия. Она
устраняется либо легированием стали и шва титаном
(08X17Т, 15Х25Т), либо послесварочным отпуском при
Т = 650...750 °C.
в*
163
Материалы и их поведение при сварке
В большинстве случаев применяют ручную дуговую
сварку. Электроды перед сваркой обязательно прокалива-
ются. Покрытия должны носить основной характер. При
сварке под флюсом используются безокислительные флю-
сы (48-ОФ-6) либо слабоокислительные (АН-17) в ком-
бинации с легированными проволоками. Рекомендации
по выбору сварочных материалов приведены в табл. 13.1.
При сварке хромоникелевых аустенитных сталей сле-
дует рекомендовать дополнительное легирование швов
Мп, N, Мо, исключая или максимально снижая в них
содержание Ti, Nb, Al. Количество вредных примесей в
металле шва (Р, S), а также Si должно резко ограничи-
ваться. Это требует особого входного контроля качества
основных и сварочных материалов и безусловной под-
готовки поверхностей свариваемых кромок.
В аустенитно-ферритных швах (а их номенклатура
наиболее широка), чтобы избежать горячих трещин,
структура должна содержать феррита в пределах 15...30%,
что достигается соответствующим их легированием сва-
рочными материалами (см. табл. 13.1.).
Для аустенитно-мартенситных сталей следует доби-
ваться получения аустенитной структуры металла шва,
обеспечивающей высокую стойкость против горячих
трещин (если отсутствуют требования по высокой проч-
ности шва), либо аустенитно-мартенситной структуры,
соответствующей исходному металлу, но требующей
обязательной послесварочной термообработки.
Во всех случаях требуемой структуры можно доби-
ваться с использованием рекомендуемых электродов,
проволок или регулированием режимов сварки [5, 7, 8].
Ориентировочно выбор составов сварочных материалов,
обеспечивающих требуемые свойства, состав и структу-
ру швов, можно предварительно оценивать, используя
диаграмму Шеффлера (рис. 13.3).
164
Глава 13. Высоколегированные коррозионностойкие стали
Сгм, = % Сг + % Мо + 1,5 % Si + 0.5 % Nb + 3.5 % Ti
Рис. 13.3. Диаграмма Шеффлера
Для всех классов хромоникелевых сталей необходи-
мо применять режимы сварки с пониженной погонной
•нергией за счет снижения величины тока на 25...30%,
п чаше за счет повышения скорости сварки. Это сужает
•• >ну пластических деформаций сварного соединения и
время пребывания околошовных участков, нагреваемых
до критических температур (например, температур об-
ра ювания Сг2зС6).
При выборе режимов сварки необходимо, чтобы доля
участия основного металла в шве была минимальной,
гак как это существенно снижает влияние легирующих
сварочных материалов на механические и коррозионные
характеристики соединения в целом.
После сварки швы необходимо подвергать механи-
ческой обработке с целью устранения концентраторов
напряжений и повышения вязкости сварных соедине-
ний, особенно эксплуатирующихся при криогенных
1смпературах.
165
Материалы и их поведение при сварке
Подготовку кромок под сварку следует производить
либо механическим путем (фрезерование, резание,
строжка), либо плазменно-дуговыми способами, чтобы
исключить неблагоприятное изменение исходной струк-
туры основного металла на свойства околошовной зоны.
Для аустенитных сталей в большинстве случаев не
требуется послесварочной термообработки. Ее применя-
ют для аустенитно-фероитных сталей (закалка с 1050 °C
или стабилизирующий отжиг при температуре 850...
920 °C), когда требуется повышенная стойкость соеди-
нений к межкристаллитной (ножевой) коррозии или
коррозионному растрескиванию. Для сварных соедине-
ний из аустенитно-мартенситных сталей рекомендуют
после сварки производить закалку с отжигом для вырав-
нивания структуры шва и зоны термического влияния.
Во всех случаях это способствует снижению уровня ос-
таточных сварочных напряжений и уменьшает влияние
концентраторов напряжений.
Итак, основными рекомендациями по повышению
коррозионной стойкости сварных соединений в целом
являются:
1. Снижение содержания углерода в стали и швах за
счет применения низкоуглеродистых основных и
сварочных материалов.
2. Стабилизация структуры швов с применением
карбидообразователей (Nb, V, Ti)
3. Создание двухфазной аустенитно-ферритной
структуры швов за счет легирования.
4. Применение режимов сварки, обеспечивающих
высокие скорости охлаждения металла в области
критических температур.
5. Применение гомогенизирующей термообработки
(аустенизация).
166
Глава 13. Высоколегированные коррозионностойкие стали
6. Расположение сварных швов вдали от участков ме-
талла, исчерпавших свою деформационную способ-
ность из-за предшествующих видов обработки.
Более подробную информацию о материалах, свой-
ствах и особенностях сварки коррозионностойких ста-
лсй можно найти в литературе [6, 8].
Вопросы для самопроверки
1. На какие группы по назначению делятся коррозион-
ностойкие хромистые стали?
2. На какие классы по виду легирующих делятся кор-
розионностойкие хромистые стали ?
3. Какие три группы хромистых сталей по структуре
вам известны ?
4. Какой вид ТО является оптимальным для улучшения
стойкости против коррозии сварных соединений их
хромистых сталей?
5. Назовите основные проблемы свариваемости хромо-
никелевых коррозионностойких сталей.
6. На какие три группы по структуре делятся хромо-
никелевые коррозионностойкие стали ?
7. Из каких соображений выбирают сварочные матери-
алы для аустенитных коррозионностойких сталей ?
8. Какие два варианта технологии сварки хромистых
сталей вам известны?
9. Какие факторы связывает друг с другом диаграмма
Шеффлера ?
К). Чем устраняется склонность сварных соединений к
МКК?
• -- Глава 14 —
ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫЕ
ЖАРОПРОЧНЫЕ
И ЖАРОСТОЙКИЕ СТАЛИ
14.1. Общая характеристика сталей
Жаропрочные стали и сплавы — это вид конструкци-
онных материалов, эксплуатирующихся при высоких
температурах (Траб > 550—580 "С) в течение длительного
времени (tpa6 > Ю ООО... 100 000 ч) в условиях сложнона-
пряженного состояния. Основной их характеристикой,
определяющей надежность и работоспособность конст-
рукций, является жаропрочность.
Составляющими понятия жаропрочности являются:
1) величина напряжений, вызывающая деформации,
не приводящие к разрушению материала или кон-
струкции при рабочей температуре за заданный
отрезок времени. Если оговариваются напряжение
и время, то такая характеристика называется пре-
делом длительной прочности, если оговариваются
напряжение, время и деформация, то такая харак-
теристика называется пределом ползучести;
2) запас пластичности, определяемый при испытани-
ях на длительную прочность и ударную вязкость
после длительного старения, определяющий чув-
ствительность материала к надрезу;
168
Глава 14. Высоколегированные жаропрочные...
3) значение прочности св, пластичности 5 при нор-
мальной температуре и сопротивление усталости
при высоких температурах;
4) технологические свойства, обеспечивающие воз-
можность обработки заготовок с использованием
обычных операций штамповки, ковки, механичес-
кой обработки и сварки.
Наиболее важными состав, шющими жаропрочности
являются ползучесть и длительная прочность.
Как известно [3], уровень ползучести определяется со-
противлением деформации кристаллической решетки
при заданной температуре, зависящим от легирования,
субструктуры металла в исходном состоянии и субструк-
туры, формирующейся в процессе высокотемпературно-
го скольжения, а также выделений второй фазы из твер-
дого раствора и состояния границ зерен (межзеренное
проскальзывание). Как правило, чем выше уровень ле-
гирования твердого раствора, тем выше его сопротивле-
ние деформации ползучести при Т = const. Существен-
но повышают сопротивление ползучести Cr, Мо, W.
В то же время с ростом тем пера гуры при постоянной ве-
личине деформации прочность крисзаллической решет-
ки может снижаться из-за увеличивающейся диффузии
элементов и ослабления межатомных связей.
Таким образом, сопротивление ползучести определя-
ется природой металла, его структурой и температурой.
Установлено, что при рабочей температуре до Тр = 0,5Т|1Л
прочность металла и сопротивление ползучести опреде-
ляются стабильностью его дислокационной структуры.
При Тр > 0,5Т|1Л устойчивость дислокаций снижается,
степень их закрепления структурными и концентраци-
онными дефектами ослабевает из-за усиления диффу-
зии, а основную роль в сопротивлении ползучести иг-
рают силы межатомной связи. Как правило, чем выше
169
Материалы и их поведение при сварке
Тпд и Тр^ элемента, составляющего основу сплава (на-
пример, Fe или Со), тем выше сопротивление ползуче-
сти. Из структурных факторов наиболее заметно на уро-
вень ползучести влияют состояние (дефектность)
границ зерен и свойства упрочняющих (вторичных) дис-
персных фаз.
Пределом ползучести называют напряжение, вызыва-
ющее величину пластической остаточной деформации
при заданной температуре, не приводящей к разрушению
металла. Например, ctkwooo означает величину напря-
жения, которое при рабочей температуре Т = 500 °C вы-
зывает 1% остаточной (пластической) деформации за
10 000 ч эксплуатации.
В стандартах эта характеристика оговорена для каж-
дой марки жаропрочной или теплостойкой стали (8].
При экспериментальном определении уровня жаро-
прочности удобнее использовать значение скорости
ползучести при данной температуре и напряжении, ко-
торая соответствует определенному удлинению (величи-
не деформации).
Под пределом длительной прочности понимают напря-
жение, вызывающее разрушение материала за заданный
срок при температуре эксплуатации. Однозначно дока-
зано, что гетерогенные сплавы обладают большей длитель-
ной прочностью, чем гомогенные сплавы. Лучшие результа-
ты получаются, если легирующий элемент (например,
Mo, Nb, W и т. п.) и растворяется в твердом растворе
(упрочняет матрицу), и образует вторую фазу.
По степени легирования жаропрочные стали можно
разделить на низколегированные (Сг, Mo, V < 3%), ра-
ботающие до Т < 500—580 °C (теплостойкие), и высоко-
легированные, содержащие Cr, Mo, V и другие легиру-
ющие элементы в количестве до 30—40% и длительно
170
Глава 14. Высоколегированные жаропрочные...
работающие при Т > 580...600 “С. О них пойдет речь в
этой главе.
Жаропрочные стали по типу легирования и характе-
ру упрочнения классифицируют на две группы:
1. Гомогенные аустенитные стали, неупрочняемые
термической обработкой. Жаропрочные свойства
у них достигаются введением в железо повышен-
ного количества углерода и комплексным легиро-
ванием матрицы Ni, Cr, Мп, Mo, V и Nb с тем,
чтобы получить стабильное во всем температурном
интервале эксплуатации аустенитное состояние.
Эти свойства обеспечиваются также и субмикроско-
пически тонкой структурой, образующейся при вы-
делении карбидной фазы. К таким сталям относят-
ся 06Х14Н6Б, 08Х18Н12Т, 20Х23Н18, 07Х16Н9М2.
Они применяются для паропроводов, камер сго-
рания и других узлов энергетического оборудова-
ния, длительно работающих при высоких темпе-
ратурах.
2 Гетерогенные стали упрочняются термообработ-
кой (закалка и старение), в результате которой в
аустенитных сталях образуется достаточное коли-
чество карбидных, карбонитридных и интермстал-
лидных фаз, упрочняющих границы матрицы и
обеспечивающие им требуемую жаропрочность
(ползучесть) при более высоких температурах (до
700—750 °C). Эти фазы не растворяются при дли-
тельном высокотемпературном нагреве и, создавая
барьеры для движения дислокации, снижают ин-
тенсивность пограничной диффузии элементов,
повышая температуру рекристаллизации, а следо-
вательно, и длительную прочность при высоких
температурах.
171
Материалы и их поведение при сварке
Наиболее стабильными упрочняющими фазами яв-
ляются фазы Лавеса Fe2W, Fe2Mo, Fe2Ti. Они, например,
обеспечивают требуемый уровень жаропрочности сталей
марок 10Х12Н20ТЗР, 40Х18Н25С2, 10Х15Н35ВТР и др.
Из этих сталей изготоаняют роторы паровых турбин, па-
ропроводы, лопатки турбин, автоклавы и др.
Все указанные стали обладают также жаростойкостью.
14.2. Характеристика свариваемости
Свариваемость гомогенных жаропрочных сталей оп-
ределяется формирующейся структурой и свойствами
шва и зоны термического влияния. В стабильно аусте-
нитных стcL'isix с соотношением Cr3KB/Ni3KB < 1,3 кристал-
лизация шва протекает путем выделения из жидкой
фазы твердого раствора аустенита и небольшого коли-
чества 5-фсррита. Однако в условиях ускоренного ох-
лаждения швы в этом случае состоят по существу из
одного аустенита, формирующегося в виде крупных
столбчатых кристаллитов со значительно развитой меж-
дендритной ликвацией. При Cr3KB/Ni3KB >1,3 ведущей фа-
зой при кристаллизации является феррит, что приводит
к измельчению зерна аустенита и упрочнению структу-
ры шва. Содержание феррита в этих сталях может дос-
тигать 5...6%. Для придания таким сталям однофазного
состояния с мелким зерном шов и сварное соединение
в целом должны быть подвергнуты аустенизации (закал-
ке с 1050...1100 °C), так как аустенитная (или с неболь-
шим количеством феррита) крупнозернистая структура
шва с высоким уровнем междендритной ликвации по-
вышает склонность его к горячим трещинам.
Важной для характеристики свариваемости является
схема кристаллизации шва. Наиболее благоприятной с
точки зрения сопротивляемости горячим трещинам яв-
172
Глава 14. Высоколегированные жаропрочные...
ляется кристаллизация с изгибом кристаллитов, при
котором угол срастания их в центре шва близок к нулю
(см. рис. 8.2). При многослойной сварке последующий
шов создает условия для появления транскристаллиза-
ции металла шва, что в свою очередь повышает склон-
ность к горячим трещинам.
В околошовной зоне соединений из указанных двух
ipynn сталей происходят следующие изменения:
• выделение сегрегатов S, Р, РЬ и карбидной эвтекти-
ки с возможностью образования трещин-надрывов;
• расплавление по линии сплавления неметаллических
включений;
• образование первичного d-феррита в высоконаг-
реваемых зонах, что повышает склонность к ох-
рупчиванию;
• коагуляция и растворение избыточных упрочняю-
щих фаз, способствущие охрупчиванию тела зерна;
• рост зерна в участках нагрева выше 1000 °C, осо-
бенно в гомогенных сталях, находившихся перед
сваркой в состоянии наклепа на 5... 15% (листы,
профили).
Таким образом, характер кристаллизации сварных
швов и изменения состояния металла в ЗТВ снижают
пластичность металла в температурном интервале хруп-
кости, что приводит к горячим кристаллизационным тре-
щинам, а при Т = 1450... 1000 °C — к горячим подсолидус-
ным трещинам, образующимся в результате межзеренной
высокотемпературной деформации.
В сварных швах и ЗТВ из этих сталей образуются так-
же ликвационные горячие трещины (по строчкам неметал-
лических включений), особенно при сварке на мягких
режимах (малые скорости сварки) и при многослойной
сварке (повторный нагрев). Этот вид трещин наиболее
характерен при сварке деталей из литых жаропрочных
сталей.
173
Материалы и их поведение при сварке
Свариваемость гетерогенных жаропрочных сталей,
содержащих феррита до 8...10% и подвергающихся пос-
лесварочной термообработке (закалка+старение), харак-
теризуется возникновением трещин в интервале темпе-
ратур Т = 600...800 °C как результат чрезмерного роста
зерна и формирования плоских (надрезы) включений
карбидов по их границам. Трещины чаще возникают в
жестких сварных узлах, имеющих концентраторы на-
пряжений (непровары, подрезы). Стали, легированные
Ti и Nb (12Х18Н9Б, I0X15H35B3T, 12Х18Н9ТР), наибо-
лее склонны к подобному трещинообразованию.
При длительной эксплуатации сварных соединений
в интервале 300...500 °C, в металле швов, содержащих
8...10% феррита, наблюдается охрупчивание («475-гра-
дусная» хрупкость) из-за дополнительного выделения
карбидов хрома При Т = 650. .900 °C охрупчивание со-
единений происходит вследствие выделения хрупкой о-
фазы, что создает опасность локальных разрушений.
Гомогенизация сварных соединений из сталей этой
группы устраняет оба вида охрупчивания и восстанав-
ливает необходимую пластичность сварных соединений.
Швы, легированные бором, как правило, более стойки
к образованию трещин.
Для жаропрочных сталей характерно радиационное
охрупчивание из-за образования в решетке твердого ра-
створа атомов водорода и гелия под действием нейтрон-
ного облучения. Длительная прочность таких сталей и
сварных соединений снижается и практически не вос-
станавливается. Исключение составляют стали типа 25—
20, легированные ниобием (Nb>10%).
174
Глава 14. Высоколегированные жаропрочные...
14.3. Технологические рекомендации
по сварке
Технология сварки жаропрочных гомогенных сталей аус-
тенитного класса, длительно эксплуатирующихся при
Т > 600 °C, должна обеспечивать в шве за счет легирую-
щих сварочных материалов наличие не более 1...2% фер-
ритной фазы с целью обеспечения пластичности и пре-
дупреждения охрупчивания шва.
При ручной дуговой сварке это достигается за счет
выбора типов и марок электродов.
При сварке под флюсом и в защитных газах необхо-
димо учитывать повышенную долю участия основного
металла в шве, существенно влияющую на состав шва,
и варьировать как марками электродной проволоки, так
и режимами сварки, особенно при выполнении корне-
вых и облицовочных швов. Охрупчивание таких швов
практически исключается, если содержание 8-феррита
в шве не более 4%.
Для сварки жаропрочных гетерогенных сталей реко-
мендуется применять сварочные материалы аустенитно-
карбидного, аустенитно-боридного или глубоко аусте-
нитного классов. Стойкость против горячих трещин
также повышается за счет снижения содержания приме-
сей в сталях и сварочных материалах, достигающаяся
при специальной технологии их выплавки (вакуумно-
луговая, электрош паковая и т. д.). Некоторые примеры
по выбору сварочных материалов для сварки гомоген-
ных и гетерогенных сталей приведены в табл. 14.1.
Для сталей обоих групп при автоматических спосо-
।lax сварки используют безокислительные флюсы ФЦ-
17, ФЦ—18, АНФ-5, 48-ОФ-6М или инертные защит-
ные газы (Аг, Не).
175
Таблица 14.1
Сварочные материалы для сварки сталей аустенитного, аустенитно-ферритного
и аустенитно-карбидного классов
Марка стали Марка электрода ври ручной сварке Тип наплавленного металла Марка проволоки при механизированной сварке Марка флюса Структура наплавленного металла
08X18Н9 ЦТ-26 ЮХ16Н9М2 Св-10Х16Н25АМ6 ФЦ-17 Аустенитная
08X18Н ЮТ ЦТ-26 ФЦ-18 Аустенитно- ферритная
08Х18Н12Т ЦТ-15 АН-18
08Х16Н9М2 ЦТ-26 ЮХ16Н9М2 Св-Х16Н9М2 АН-26
12Х16Н13М2Б ЦТ-7 10Х18Н11М2Б Св-08Х18Н9Б АНФ-5
12Х14Н20В2БР ЦТ-23 12Х14Н18В2Б 48-ОФ-6М Аустенитно- карбидная
08X18Н10 ЦЛ-11 04Х20Н9 48-ОФ-6М Аустенитная
Окончание табл. 14.1
Марка стали Марка электрода при ручной сварке Тип наплавленного металла Марка проволоки при механизированной сварке Марка флюса Структура наплавленного металла
08Х18Н12Б ЦТ-15, ЦТ-26 08Х16Н8М2 Св-08Х18Н12Б АН-18 Аустенитно- ферритная
09Х16Н9М2 ЦТ-26 СВ-08Х16Н8М2 АН-26
10Х17Н13В2М ЦТ-16, КТИ-5, ЦТ-19 Св-08Х15Н9В4Б АН-18 Аустенитная
20Х23Н18 ЦТ-19 Св-08 Х25Н20С2Р АНФ 23 Аустенигно- карбидная
10X15H35B3T ЦТ-10 Св-1ОХ16Н25АМ6 АН-17 Аустенитная
Материалы и их поведение при сварке Глава 14. Высоколегированные жаропрочные...
Материалы и их поведение при сварке
Тепловые режимы сварки, определяющие формиро-
вание геометрических размеров швов, существенно вли-
яют на образование горячих трещин. Сварочный ток вы-
бирается (рассчитывается) так, чтобы его величина была
на 25...30% меньше, чем для углеродистых сталей соот-
ветствующей толщины.
Наиболее удобно регулировать тепловложение за счет
скорости сварки, при этом косвенным критерием опти-
мальной скорости является большая кривизна чешуек
на поверхности шва. Предпочтительно избегать малых
диаметров электродов и проволок.
Перемешивание сварочной ванны механическим или
электромагнитным путем, введение холодной присадки
в ванну, интенсивное охлаждение свариваемого изделия
повышают стойкость швов против горячих и полугоря-
чих трещин.
Из дуговых способов сварки лучшие результаты дос-
тигаются при аргонодуговой сварке.
При всех способах сварки необходимы тщательная
зачистка кромок, их обезжиривание, а в отдельных слу-
чаях травление. Необходимо стремиться к минимально-
му количеству прихваток, а требуемая точность сборки
должна обеспечиваться за счет использования сбороч-
но-сварочных приспособлений.
Термообработку сварных конструкций, работающих
при Т < 500 °C, проводят только для снятия остаточных
напряжений (отжиг при Т = 900 °C в течение 10 ч). Для
эксплуатации соединений при Т > 500 “С необходима
аустенизация сварных соединений при Т = 1100...
1150 “С, приводящая к полному растворению карбидов
в теле зерна и последующему их измельчению. Иногда
проводят двойную аустенизацию.
Более подробную информацию о сварке жаропроч-
ных и жаростойких сталей можно получить в литерату-
ре [7, 8].
178
Глава 14. Высоколегированные жаропрочные...
Вопросы для самопроверки
1. Какими параметрами характеризуется жаропроч-
ность?
2. В чем суть явления ползучести ?
3. Что называется пределом ползучести?
4. Что называется длительной прочностью?
5. На какие две группы сталей по характеру упрочне-
ния делятся жаропрочные стали?
6. Назовите проблемы свариваемости жаропрочных
аустенитных сталей.
7. Сколько феррита должно содержаться в сварном шве
из гомогенной жаропрочной стали?
8. Каким параметром режима предпочтительно регу-
лировать величину погонной энергии сварки?
9. Для чего рекомендуется использовать специальную
технологию выплавки гетерогенных жаропрочных
сталей, предназначенных для производства сварных
конструкций?
10. Какой дефект может возникнуть в сварном соеди-
нении из гетерогенной жаропрочной стали при дли-
тельной эксплуатации его при Т — 650—900 °C?
11. Какая термообработка сварных соединений реко-
мендуется для повышения жаропрочности гетеро-
генных сталей?
===== Глава 15 ....
РАЗНОРОДНЫЕ СТАЛИ
И ОСОБЕННОСТИ ИХ СВАРКИ
15.1. Основные проблемы свариваемости
разнородных сталей
Использование сварных соединений из разнородных
сталей рационально в случаях, когда работоспособность
конструкции определяется комплексом необходимых
свойств, получение которых труднодостижимо или эко-
номически нс выгодно при использовании однородных
материалов. Применение разнородных сталей в сварных
соединениях, как правило, связано со скачкообразным
изменением условий эксплуатации отдельных участков
конструкции (температуры, среды, нагрузки).
Проблемы свариваемости таких сталей связаны с осо-
бенностями формирования состава и структуры шва и
зоны сплавтения, а также прилегающих к ним участков
основного металла как в процессе сварки, так и при тер-
мообработке сварного соединения или его эксплуатации.
Металл шва из сталей разного легирования или раз-
ных структурных классов вследствие перемешивания
электродного и основного металлов всегда будет обла-
дать химической и структурной неоднородностями, кото-
рые особенно четко выражены на линии сплавления.
Эти неоднородности приводят к появлению непластич-
180
Глава 15. Разнородные стали и особенности их сварки
ных кристаллизационных и деформационных прослоек
переменного состава и к различному уровню остаточных
напряжений у сваренных кромок, что вызывает механи-
ческую неоднородность всего соединения. Указанные
особенности усложняют технологию сварки разнород-
ных сталей.
Рассмотрим основные причины появления неодно-
родностей и усложнения свариваемости разнородных
сталей.
1. При сварке сталей одного структурного класса в ре-
зультате неодинакового перемешивания наплавленного
металла с основным (в центре шва и у границы сплав-
ления) со стороны шва возникают прослойки перемен-
ного состава шириной 0,2...0,6 мм. Их свойства при раз-
ном уровне легирования сталей в большинстве случаев
имеют промежуточные значения между свойствами ос-
новного металла и металла шва. Влияние этих просло-
ек на снижение работоспособности сварного соедине-
ния незначительно при условии, что электродный
(наплавляемый) металл того же структурного класса, что
и свариваемые, например, ВСтЗ + 09Г2 + Э46.
Если же стали одного структурного класса (напри-
мер, перлитные) свариваются электродными материала-
ми другого структурного (например, аустенитными)
класса, то в результате перемешивания у границы сплав-
ления образуются кристаллизационные прослойки пе-
ременного состава, содержащие, как правило, 3... 12%Сг
и 2...8%Ni и имеющие чаще всего мартенситную струк-
туру (см. диаграмму Шеффлера). Ширина таких просло-
ек тем больше, чем меньше запас аустенитности металла
шва. Например, при сварке стали ЗОХГСА электродом
типа Э-12Х18Н9 ширина мартенситной прослойки \
будет больше, чем при сварке электродом типа
Э-Х15Н25МЗТ (рис. 15.1).
181
Материалы и их поведение при сварке
Рис. 15.1. Схема влияния степени легирования шва на ширину
кристаллизационных прослоек- X, — расстояние от границы
сплавления
2. При сварке разнолегированных сталей (низколеги-
рованной с высоколегированной) сварочными матери-
алами, содержащими большое количество энергичных
карбидообразователей (Сг, С, Мп, Ti, V), в близлежащих
ко шву зонах с обеих сторон возможно образование диф-
фузионных переходных прослоек (особенно при длитель-
ной эксплуатации и высоких температурах). Такой про-
цесс характерен при сварке перлитных сталей (09Г2,
12ХМ) с перлитными сталями более высокого легиро-
вания (12X1 МФ) или перлитных сталей с высоколеги-
рованными мартенситными, ферритными или аустенит-
ными сталями, т. е. сталями другого структурного
класса. В этом случае в зоне сплавления со стороны
менее легированной стали образуется обезуглероженная
зона, а со стороны более легированного шва или более
легированной стали — прослойка науглероженного ме-
182
Глава 15. Разнородные стали и особенности их сварки
таяла высокой твердости, содержащего большое коли-
чество карбидов. Наибольшей ширины прослойки дос-
тигают в зоне сплавления углеродистой стали с аусте-
нитной. Объясняется это интенсивной диффузией
углерода из шва к элементам-карбидообразователям при
длительном воздействии температур нагрева Т > 450-
800 °C и образованием в результате диффузии термичес-
ки стойких карбидов типа Cr23C6, МоС, VC, НС и др.
большое влияние на ширину этих прослоек оказывает
количество углерода в менее легированной стали (или
шве): чем оно ниже, тем шире зона обезуглероживания,
гак как углерод диффундирует в шов из более отдален -
ных от линии сплавления участков. В то же время по-
вышение содержания углерода в шве увеличивает про-
1яженность науглероженной прослойки. Указанные
процессы часто вызывают в шве хрупкие разрушения в
процессе длительной эксплуатации при высоких темпе-
ратурах из-за изменения в течение времени эксплуата-
ции структурного состояния шва или участков околошов-
иой зоны (по существу протекает процесс термического
старения).
3. При сварке толстостенных соединений из сталей
разного легирования в швах и околошовных участках
во шикает объемное напряженное состояние, вызывающее
хрупкие локальные разрушения соединения. Например,
пониженная прочность обезуглероженной зоны стано-
вится причиной разрушения под действием коррозион-
ной среды (коррозионное растрескивание).
Говоря о неоднородностях соединений в участках
си давления, необходимо иметь в виду, что степень их от-
рицательного проявления зависит не только от химичес-
ких составов основных и электродных материалов, но и
oi долей участия основного металла в шве и степени
проплавления стыкуемых кромок, т. е. по существу от
183
Материалы и их поведение при сварке
режимов сварки и типов соединений, техники выпол-
нения швов и т. п.
Прогнозировать и оценивать состав и сгруктурное со-
стояние металла шва и зоны сплавления из высоколе-
гированных сталей можно по диаграмме Шеффлера (см.
рис. 13.3). Используя ее, можно выбирать сварочные ма-
териалы, определять влияние режимов (доли участия)
сварки на структуру шва, принимать решение о необхо-
димости термической обработки и условиях эксплуата-
ции сварного соединения. Следует, однако, подчеркнуть,
что структурное состояние швов из низколегированных
сталей по диаграмме Шеффлера определяется весьма
ориентировочно, так как диаграмма не отражает фазо-
вых превращений в сварном соединении.
В практике сварочного производства встречаются в
основном два варианта технологии сварки разнородных
сталей:
1) сварка сталей одного структурного класса, но раз-
ного легирования;
2) сварка сталей разного структурного класса и раз-
ного легирования.
Рассмотрим подробнее основные особенности свари-
ваемости, техники и технологии сварки по обоим вари-
антам.
15.2. Сварка сталей одного структурного
класса, но разного легирования
Этот вариант сварки выполняется в случаях, когда к
швам не предъявляется требований повышенной прочнос-
ти или других специальных свойств, характерных для бо-
лее легированной стали. Поэтому при выборе сварочных
материалов, как правило, отдают предпочтение матери-
184
Глава 15. Разнородные стали и особенности их сварки
алам, применяемым для менее легированной стали, а ре-
жимы сварки и подогрева рассчитываются (выбираются)
по свойствам более легированной стали, относящейся,
как правило, к категории более худшей свариваемости.
Для исключения трудоемкой операции подогрева при
сварке часто производят предварительную наплавку
кромки более легированной стали сварочными матери-
алами, снижающими различия кромок по химическому
составу, т. е. создают переходные слои. Такая операция
получила название стабилизации. Она наиболее часто
используется при сварке сталей перлитного класса раз-
ного легирования и способствует устранению трещино-
образования.
При сварке, например, разнолегированных высоко-
хромистых сталей (12X13+08X17Т) выбор сварочных ма-
гериалов основывается на необходимости получения
швов без трещин или без охрупченных участков в ЗТВ
(табл. 15.1). Из-за большого количества хрома в этих
сталях, диффузионных прослоек по линии сплавления
практически нс наблюдается, а трещины появляются из-
»а различия в свойствах кристаллизационных прослоек.
)|и свойства (6, KCU и т. д.) существенно зависят от
состава электродных материалов, режимов и техники
сварки. Режимы сварки и подогрева выбирают по харак-
шристикам свариваемости более закаливающейся с га-
ти из входящих в рассматриваемое сочетание, т. е. по
стали 12X13.
Наиболее часто для сварки этих сталей используют-
ся ферритно-аустенитные сварочные материалы (элек-
троды, проволоки) с применением после сварки высокого
отпуска при Т = 700...850 °C с ускоренным охлаждением
(табл. 15.2).
При сварке разных по легированию аустенитных сталей
основной проблемой является предотвращение горячих
185
Таблица 15.1
Примерные рекомендации по выбору сварочных материалов при сварке сталей одного
структурного класса, но разного легирования
Условия эксплуатации Марка сталей Метод сварки Сварочные материалы (тип электрода, проволока) Термообработка после сварки Структура шва
1 2 3 4 5 6 7
1. Перлитные стали
I-W 350"С без корро- зионной среды ВстЗ,10, 2О.22К и другие низкоуглсро- дистые 12МХ, I5MX, 30ХМА, 20ХМЛ ручная Э42А без термо- обработки или отпуск при Т=630...650 °C определяется ско- ростью охлажде ния и термообра- боткой (перлит- ная, перлитно- бейнитная)
под флюсом Св-08А, Св-ЮГА, Св-08ГА
14Г, 09Г2, 12ГС, 10Г2С1, 18Г2АФ, 10ХСНД. 40Х. 30ХГСА ручная Э42А,Э50А
в защитных газах Св-08 ГС, СВ-08Г2С
2. Мартенситные, мартенситно-<|)ерритныс, ферритно-мартенситные и ферритные стали
2.350вС<ТраЪ <5600'С без коррозионной среды 12X1 МФ 15Х5М 15Х5МФи др. 15X11 МФ 15X12МФ 20ХЗМВФ 18ХЗМФи др. ручная Э-09Х1МФ. Э- 10Х5МФ отпуск при Т = 670...710*С определяется скоростью охлаждения
• -. - . •
1 2 3 4 5 6 7
под флюсом Св-ЮХМ, Св-08ХМ, Св-08ХМФА
в защитных <азах Св-08ХГСМФА, Св-08ХГСМА
3. 560 °C < < 600 °C без коррозионной среды 20X13, 12X13, 08X13 и др подобные 15X11 МФ, 18Х11МФБ, 20Х12В2МФ и др. ручная Э-12Х13, Э-14Х11НВМФ отпуск при Т= 700...750 С определяется ско- ростью охлажде - ния.термообра бочкой (бейлит- но-мартенситная, мартенситная)
под флюсом СВ-06Х14. СВ-08Х14ГНТ
в защитных газах Св-08Х14ГНТ
4. 560 °C < < 600 "С с корро- зионной средой 20X13, 12X13, 08X13 и др. подобные 14Х17Н2, 15Х25Т, 12X21Н5Т, Х25Н5ТМФ, 08Х22Н6Т и др. ручная Э-08Х25Н5ТМФ отпуск при Т = 700...750'С (ускоренное охлаждение) определяется ско- ростью охлажде- ния и термообра- боткой (феррит- но-мар генситная)
под флюсом Св-06Х24Н6ТАФМ, Св-06X21115
в защитных газах СВ-06Х21Н5
Окончание табл. 15.1
1 2 3 4 5 б 7
5.Траб>350°С с корро (ИОННОЙ средой 08X17Т, 12X17. 08X18Т1 и др. 12X21Н5Т, 08Х22Н6Т и др. ручная Э-08Х25Н5ТМФ отпуск при Т=700...850 °C в отдельных случаях с уско- ренным охлаж- дением определяется ско- рост ью охлажде- нияитермообра- богкой (аустенит- но-марте, i ситная. ферритно-мар- тенситная,
иод флюсом Сн-06Х21Н5
3. Аустенитные, аустснитно-фсрритныс и ферритно-аустенитные стали
6. Нс агрес- сивные среды т>«5оо°с 03X18Н11. 12XI8HI0T и др. (Ni/Cr<l) I2X18HI2T, 10Х17Н13М2Т 10X17H13M3T О8Х17Н16МЗТ и Др- ручная Э-02Х21Н10Г2идр. без термо- обработки или аустенизация (в зависимости от требований) аустенитн о-фер- ритная илифер- ритно-аусгениг- ная
по. флюсом Св-04Х19Н9
в защитных газах Св-04Х19Н9С2к др
7. Агрессивные среды ^,>450 °C I2X18H10T 10X17H13M3 Т08Х18Н12Т и др. (Ni/Cr<l) 12Х21Н5Т 08Х22Н6Т 08X21Н6М2Т и др. ручная O3J1-40 без термообра- ботки или ста- билизация (отжиг) Ферритно-аусте- нитный с регули- руемым количес- твом <|>ерри гной фазы
под флюсом Э-023Х21Н10Г2, Э-04Х20Н9
Пвляпцп >5.2
Примерные рекомендации по выбору сварочных матери ад о в при сварке сталей разного
структурного класса и разного легирования
Условия эксплуатации Марка свариваемых сталей Метод сварки Сварочные материалы (тип электрода, проволока) 1ермообрабогка
1-Траб=300...350’С ВСтЗ,20,15К, 22К и другие низколе- гированные стали 12% хромистые стали: 08X13,12X13, 20X13,15X11 МФ, 15Х12ВМФ, 15X11МФБ ручная Э-09ХМ Отпуск при Т= 650...680 °C
под флюсом СВ-Э8ХМ, Св-18ХМА, Св-08МХ, Св-ЮХМ
в защитных газах СВ-08ХГСМА, Св-08ХГСМФА
2.Трвб=400...450 С Хромомол ибде, ювыс новые 15ХМ, 12 MX, ЗОХМ.ЗОХМА ручная Э-Х1МФ Отпуск при Т=65О„ 700 °C
в защитных газах Св-08ХГСМФА, Св-10ХГ2СМА
З.Трнб=500...520°С Хромомол ибдено- ванадисвые 12X1 МФ. 12X1МТФ 08X13,12X13,20X13 ручная Э-Х1МФ Э-10Х2МФТ Э-10Х2МФБ Отпуск при Т=700. .720 °C
в защитном газе СВ-08ХГСМА
Глава 15. Разнородные стали и особенности их сварки
Продолжение табл. 15 2
1 2 3 4 5 6
4.1^=550...580‘С 15X11 МФ, 15Х12ВМФ. 15X11 МФБ ручная для облицовки 12%-хромистой стали Э-Х1МФБ Э-Х1МФ
5. !> = 300 ’С ВСгЗ, 10,20,15Кидр. низколегированные стали Высокохром истые 08X17Т. 12X17, 08X18Т1, I5X25T, 15X28, ручная Э-10Х25Н13Г2 Э-08Х25Н5ТМФ Отпуск при Т = 700...740*С с ускоренным охлаждением
6 Тра6=350“С Низкоуглсродистые и низколегирован- ные стали Аустенитные стали (Ni/Cr<l) 12XISH10T 12X18HI2T 12Х18Н12Б ЮХ17Н13М2Т Х16Н13М2Б 20X23HI8X25H13T Х17Н15В2Б ручная Э-04Х20Н9 Э-10Х25Н13Г2 Э-28Х24Н16Г6 Э-10Х25Н16Г7 Э-О8Х19Н1ОМЗБ Э-08Х25Н5ТМФ Э-30Х15Н35БЗ и др.
Окончание «чай?. 15.2
1 2 3 4 5 6
7 Тр1б=400*С Хромомол ибде новые стали I2MX, I5MX, 30ХМ, 20ХМЛ идр Аустенитные стали (Ni/Cr<l) 12Х18Н10Т 12Х18Н12Т 12Х18Н12Б 10XI7H13M2T Х16Н13М2Б 20Х23Н18 X25HI3T Х17Н15В2Б ручная Э-04Х20Н9 Э-10Х25Н13Г2 Э-28Х24Н16Г6 Э-10Х25Н16Г7 Э-08Х19Н10МЗБ Э-08Х25Н5ТМФ Э-30Х15Н35БЗ идр.
8.Трвб=520’С Хромомол ибдено- ванадисвые стали 12X1 МФ, 12Х1М1Ф идр.
9.Т^6= 580-С 15Х5М, 15Х5МФ, 25ХЗВМФ 15Х2М2ФБС под (JHIIOCOM и аргоно- дуговая Св-07Х25Н13 Св-08Х20Н9 Г7Т CB-07X25HI2T Св-06Х20Н11МЗТБ
10. Все стали и температуры эксплуатации,указанные в пп. 6—9 Аустенитные стали (Ni/Cr<l) Х14Н18В2БР X15H35B3T Х16Н25М6 ручная Э-06Х15Н35Г7В7МЗГ Э-15Х25Н35 Э-ЮХ15Н25М9
.. I Глава 15. Разнородные стали и особенности их сварки
Материалы и их поведение при сварке н---------------------—
Материалы и их поведение при сварке
трещин в шве. Поэтому, если свариваются разнолегиро-
ванные стали с малым запасом аустенитности (Ni/Сг < 1),
то сварочные материалы выбираются независимо от сте-
пени легирования любой стали. В этом случае предуп-
реждение образования горячих трещин в шве обеспечи
вается получением аустенитно-ферритной структуры с
регламентированным количеством ферритной фазы
(для жаропрочных сталей — 4...5%, для коррозионнос-
тойких — 20...25%), т. е. соответствующим подбором
электродов, сварочных проволок и режимов сварки.
При сварке разнолегированных сталей с большим за-
пасом аустенитности (Ni/Cr >1), необходимо исполь-
зовать сварочные материалы, обеспечивающие глубоко
аустенитную или аустенитно-карбидную структуру шва
(см. табл. 15 2).
Термообработку сварных соединений из разнолеги-
рованных аустенитных сталей можно не производить,
если используются термически неупрочняемые стали
(12Х18Н9Т, 12Х18Н12Т и др.), а изделие длительно эк-
сплуатируется при умеренных температурах (Траб <,
< 450 °C) Если необходимо снять остаточные напряже-
ния, то проводят стабилизацию структуры (отжиг при Т =
= 800...850 °C).
При эксплуатации сварных узлов из разнолегирован-
ных аустенитных сталей, работающих при высоких тем-
пературах (Тра6 > 400...500 °C), для стабилизации аусте-
нитной структуры необходимо после сварки производить
закалку (аустенизацию) при Т = 1100...1050 °C. Более
детальные сведения о термообработке сварных соедине-
ний из разнолегированных аустенитных сталей (виды,
режимы) можно получить в литературе [7, 11].
192
Глава 15. Разнородные стали и особенности их сварки
15.3. Сварка сталей разного структурного
класса
В производственной практике встречаются две ос-
новные группы сварных соединений из сталей разного
11руктурного класса:
I) перлитные стали с высокохромисгыми мартенсит-
ного, мартенситно-ферритного и ферритного
классов (см. табл. 15.2);
2) перлитные стали с аустенитными хромоникелевы-
ми коррозионностоикими и жаропрочными сталя-
ми (см табл. 15.2).
При сварке низкоуглеродистых и низколегированных
г чей перлитного класса с высокохром истым и сталя-
ми мартенситного и мартенситно-ферритного класса
। ni обеспечения необходимой пластичности шва и из-
бежания трешин применяют сварочные материалы пер-
инного класса с минимальным количеством карбидо-
ооразователей (1...3%). При сварке больших толщин
(S > 10 мм) целесообразно на кромку7 высокохромистой
или производить предварительную наплавку электро-
вши типа Э—09ХМ. а затем осуществлять сварку пер-
инными электродами типа Э46А, Э50А в зависимости
<п 1ребований к прочности шва. При этом температу-
ру подогрева и режим послесварочной термообработки
рассчитывают (выбирают) по характеристикам свари-
ваемости высокохромистой стали.
При сварке перлитных сталей с высокохромистыми
ферритными сталями выбирают фсрригно-аустенитные
сварочные материалы, обеспечивающие стабильность
11 руктуры металла шва даже при значительном проплав-
лении перлитной (низколегированной) стали. Допуска-
кнея и аустенитные сварочные материалы. При этом
! %». 61
193
Материалы и их поведение при сварке
термообработка сварных соединений не нужна. Приме-
нение электродов и проволок из низколегированных
сталей перлитного класса в этом случае нецелесообраз-
но, так как приводит к потере пластичности шва из-за
его чрезмерного легирования хромом (до 7... 12% Сг) из
кромки высокохромистой стали.
При сварке второй группы сталей (перлитные неза-
каливающиеся с аустенитными) обязательно используют
аустенитные сварочные материалы, чтобы получить на-
плавленный металл с достаточным запасом аустенитно-
сти, обеспечивающим даже при большом уровне про-
плавления с перлитным металлом пластичную структуру
металла шва. Большой запас аустенитности шва предот-
вращает или существенно снижает образование мартен-
ситной структуры в корневых швах и слоях, примыкаю-
щих к перлитной кромке. Ориентировочно ожидаемую
структуру можно оценивать по диаграмме Шеффлера с
учетом химического состава электродов, долей участия
и степени проплавления кромок в формировании шва.
Термообработка таких сварных соединений, как прави-
ло, не производится, так как режимы термообработки,
улучшающие свойства зоны термовлияния одной из ста-
лей (например, перлитной) чаще ухудшают свойства
другой стали (аустенитной). Кроме того, из-за разности
термических коэффициентов линейного расширения
свариваемых сталей остаточные напряжения не снижа-
ются, а перераспределяются так, что их максимальные
значения фиксируются по линии сплавления или вбли-
зи нес. Это приводит к хрупким разрушениям в зоне
сплавления шва по перлитной стали, особенно в свар-
ных узлах повышенно!. толщины. Избежать таких раз-
рушений можно, используя электродные материалы с
повышенным содержанием никеля или из никелевых
сплавов (электроды АНЖР—1, АНЖР—2).
194
Глава 15. Разнородные стали и особенности их сварки
В случае, когда перлитная стааь относится к закали-
нающимся (12X1 МФ, ЗОХМ), то перед сваркой с аусте-
п in ной сталью на кромку перлитной стали производят
предварительную наплавку глубокоаустенитными элек-
i родами с предварительным или сопутствующим подо-
гревом с целью получения более «мягких» переходных
с । руктур. После наплавки производят отпуск.
Окончательная сварка проводится на режимах, опти-
мальных для аустенитной стали (пониженный ток, по-
вышенная скорость сварки), и термообработка после нее
не производится [5, 8, 191
Режимы сварки разнородных сталей должны строго
соблюдаться и контролироваться в процессе сварки, что
|ребует высокой квалификации сварщика (оператора) и
и । южной работы сварочного оборудования.
Для получения необходимого уровня качества соеди-
нений из разнородных сталей обязательным является
пцательная подготовка изделий к сварке: зачистка и
обезжиривание кромок (иногда электродной проволо-
ки), жесткое соблюдение требований ГОСТов и отрас-
левых инструкций по зазорам и смещениям в стыке,
получению требуемой формы шва, осушка газов, про-
калка электродов и флюсов. В большинстве случаев пре-
лусма гривается послссварочная механическая обработка
сварных швов с целью устранения внешних концентрато-
ров напряжений.
Вопросы для самопроверки
1. Для чего используются сварные соединения из разно-
родных сталей ?
2. Какие виды неоднородностей характеризуют шов,
выполненный из разнолегированных или рашострук-
турных сталей ?
г
195
Материалы и их поведение при сварке
3. В каком случае при сварке сталей одного структур-
ного класса могут образовываться кристаллизаци-
онные прослойки переменного состава у линии сплав-
ления ?
4. Когда возможно образование диффузионных переход-
ных прослоек в близлежащих ко шву зонах?
5. Как можно прогнозировать ожидаемый состав и
структуру шва ?
6. Если к шву не предъявляются особые требования по
прочности, то из каких условий выбираются свароч-
ные материалы ?
7. Нужна ли послесварочная термообработка, если
сварное соединение из разнолегированных аустенит-
ных сталей эксплуатируется при Т < 400 °C?
8. Какой вид термообработки необходим, если сварная
конструкция из разнолегированной аустенитной
стали эксплуатируется при Т > 450 °C?
9. Из каких условий выбираются сварочные материа-
лы при сварке сталей с малым запасом аустенитно-
сти Ni/Cr < 1?
К- Глава 16 =====
МЕДЬ И МЕДНЫЕ СПЛАВЫ
16.1. Способы получения и свойства
меди и медных сплавов
Медь и сплавы на ее основе применяются во многих
()>раслях промышленности, что объясняется их специ-
фическими физико-механическим и свойствами: высо-
кой тепло- и электропроводностью, стойкостью против
коррозионных и эрозионных разрушений в ряде агрес-
сивных сред, в том числе в морской воде, достаточно
ш юоким уровнем механических свойств при нормаль-
н ых и низких температурах. Эти свойства определили
использование меди и ее сплавов в химическом и энер-
1с мческом машиностроении, для изготовления сварных
кристаллизаторов, трубопроводов, теплообменников,
емкостей и сосудов криогенной техники, различных
пектротехнических изделии и т. д.
В природе медь находится главным образом в виде
ернистых соединений CuS, Cu2S, входящих в состав
сульфидных руд, из которых получают около 80% меди,
и реже в виде соединений Си (ОН)2, Си2О и СиСО3 или
самородной меди.
В полиметаллических рудах, кроме меди в виде окси-
юн, содержатся также никель, цинк, свинец и другие
»юменты. Около 90% первичной меди получают пиро-
197
Материалы и их поведение при сварке
металлургическим способом, а 10% — гидрометаллурги-
ческим.
Упрощенная схема пирометаллургического способа
производства меди показана на рис. 16.1, а подробное
описание способа представлено в работе [14].
Рис. 16.1. Схема пирометаллургического производства мели
По ГОСТ 859—78 выпускается 11 марок меди, отли-
чающихся по содержанию примесей. Некоторые марки
меди и их состав представлены в табл. 16.1, а свойства
ее приведены в табл. 16.2.
Примеси в меди существенно ухудшают ее физико-
механические свойства. Медь с кислородом образует два
оксида: Си2О — закись меди и СиО — оксид меди. За-
кись меди устойчива и растворима в меди при темпера-
турах, близких к точке плавления меди, а оксид меди ус-
тойчива при более низких температурах.
Висмут и свинец, как примеси в меди, образуя соб-
ственные оксиды и эвтектики, существенно охрупчива-
ют медь и поэтому их содержание в меди жестко огра-
ничивается (Bi—0,002%, Pb—0,01%).
198
Глава 16. Медь и медные сплавы
Таблица 16.1
Химический состав меди
Марка меди Сопер- жание Cu+Ag,% Допустимое содержание примесей, %
РЬ Bi Sn Sb As S O2 P
мооб 99,99 0.001 0,0005 0,001 0.001 0,001 0,002 0.001 0.0005
МОь 99.97 0,003 0,001 0,002 0.002 0,002 0,003 0,001 0,002
М1у 99.9 0,004 0,0005 0,001 0,002 0,001 0,004 0,02 —
Ml 99,9 0 005 0,001 0,002 0,002 0,002 0,004 0,05 —
Mlp 99,9 0,005 0,001 0,002 0,002 0,002 0 005 0,01 0,012
М2 99,7 0,01 0.002 0.05 0,005 0,01 0,01 0,07 —
Таблица 16.2
Физико-механические свойства меди
(на примере марки М0б)
Марка меди Тепло- провод- ность, Вт/м-К Удельная теплоем- кость, Дж/кгК Термичес- кий коэф- фициент линейного расшире- ния, 1/106К Темпера- тура крис- таллиза- ции, К Плот- ность, кг/м3 Времен- ное сопро- тивление при разры- ве, МПа Относи- тельное удлине- ние, %
M(h 397.75 376 16,8 1386 8,9 10 265 47
Медь (Тп/1 = 1083 °C) кристаллизуется в ГЦК решетке,
не обладает полиморфизмом, фазовые превращения меди
связаны с изменением агрегатного состояния. В зависи-
мости от обработки плотность меди изменяется в интер-
вале у = 8,91...8,94 г/см3. Электро- и теплопроводность
< ущсствснно зависят от наличия примесей.
199
Материалы и их поведение при сварке
16.2. Общие сведения о свариваемости
меди
Технологическая свариваемость меди осложняется
неблагоприятным влиянием термического цикла свар-
ки на снижение прочности и пластичности соелинений.
Инертная к многим элементам при нормальных темпе-
ратурах медь при нагреве активно реагирует с кислоро-
дом, серой, фосфором и галогенами, а с водородом об-
разует неустойчивый гидрид СиН В условиях сварки
медь окисляется за счет газовой атмосферы или обмен-
ных реакций с элементами покрытий (флюсов). Легкая
окисляемость меди при высоких температурах приводит
к засорению шва тугоплавкой закисью меди Си2О. За-
кись меди, хорошо растворимая в жидкой меди, огра-
ниченно растворяется в твердой и образует с медью при
Т = 1064 °C легкоплавкую эвтектику Сн-Сн2О, распола-
гающуюся по границам зерен, охрупчивающую металл
при нормальных температурах, приводя к образованию
горячих кристаллизационных трещин в сварных швах.
Учитывая малое время существования сварочной ванны
(из-за большой теплопроводности меди), необходимо
ограничивать содержание кислорода или вводить энер-
гичные раскислители (Р, Ми, Si и др.), чтобы не допус-
тить образования чрезмерного количества эвтектики и
горячих трещин.
Однако раскислители, участвуя в металлургической
обработке шва, одновременно легируют его, что вызы-
вает повышение механических и снижение теплофизи-
ческих (электропроводность) и специальных (например,
коррозионная стойкость) свойств шва и всего сварного
соединения.
Кроме эвтектики Cu-Cu2O образованию горячих тре-
щин в шве способствуют также другие эвтектоидообра-
200
Глава 16. Медь и медные сплавы
зующие примеси. Так, оксиды висмута BiO, Bi2O3, Bi2O4
образуют легкоплавкую эвтектику с Гг, = 270 °C, а окси-
ды свинца РЬО, РЬО2 образуют эвтектику с Т11л = 326 С,
что также вызывает трещины.
В то же время как отдельная фаза закись меди Си2О,
остающаяся в шве при его кристаллизации, легко вос-
ещна вливается водородом с образованием паров воды:
Cu,O + 2Н ->2Сп + Н2О.
Необходимое количество водорода для протекания
ной реакции выделяется за счет его десорбции при ох-
лаждении шва. Образующиеся пары воды, нераствори-
мые в меди, накапливаются в дефектах структуры кри-
сталлизующегося металла, вызывая в них значительные
вокальные напряжения, приводящие к образованию
микротрещин. Этот процесс получил название «водо-
родной болезни» меди. Предупреждают его снижением
концентрации водорода в зоне сварки, за счет надежной
I а овой защиты ванны, прокалки флюсов и электродов,
применяя осушенные газы и более чистые по примесям
основные и электродные металлы, тщательной очисткой
и осушкой свариваемых кромок перед сваркой.
Раскисление закиси Си2О в шве может происходить
1акжс и под воздействием окиси углерода по реакции:
Cu2O + СО -> 2Си + СО2, (16.1)
ч । о также способствует образованию пор из-за нераство-
римости СО2 в меди.
Кроме указанного поры в металле шва образуются из-
ta резкого снижения растворимости водорода при высо-
ких скоростях кристаллизации сварочной ванны Высокие
1смиературные градиенты в зоне сварки интенсифици-
руют термическую диффузию водорода из основного
мстила к линии сплавления, образование в околошов-
иой юнс высокой концентрации водорода и появление
пор в шве у линии сплавления.
201
Материалы и их поведение при сварке
Высокая теплопроводность меди затрудняет процесс
образования сварных соединений и в ряде случаев тре-
бует предварительного или сопутствующего подогрева.
Большая жидкотекучесть и рост зерна из-за собиратель-
ной рекристаллизации также осложняют получение ка-
чественных сварных соединений.
Таким образом, основными проблемами технологи-
ческой свариваемости меди являются горячие трещины,
«водородная болезнь» и пористость сварных швов.
16.3. Медные сплавы и особенности
их свариваемости
Сплавы на медной основе в зависимости от их соста-
ва и содержания легирующих элементов относят к ла-
туням, бронзам или медно-никелевым сплавам.
Латунями, как известно, называют сплавы меди с
цинком (до 50%), в которых в незначительных количе-
ствах также могут содержаться Al, Fe, Ni, Si. Латуни
имеют повышенную прочность по сравнению с медью
(ов < 500 МПа) и используются в качестве конструкци-
онных коррозионностойких материалов. Латуни выпус-
каются по ГОСТ 15527—70 и 17711—80 и маркируются
буквой Л и последующими цифрами в соответствии с
содержанием легирующих. Например, марка Л63 содер-
жит 63% Си и 37% Zn, а латунь ЛА—77—2 соответствен-
но 77% Си, 2% А1 и 21% Zn.
Большинство сваривающихся марок латуней обычно
относятся к однофазным а-, р- или к двухфазным а +
р деформируемым сплавам. Появление p-фазы, как пра-
вило, существенно снижает пластичность а-латуней и
повышает их прочность и твердость.
Кроме особенностей свариваемости, характерных для
сварки меди, проблемой сварки латуней является выго-
202
Глава 16. Медь и медные сплавы
рание цинка (TKIInZn = 907 °C), что требует повышения
содержания легирующих в сварочных материалах и кор-
ректировок тепловых режимов сварки (они должны пре-
пятствовать выгоранию цинка). Испарение цинка не
только изменяет химический состав шва, но и приводит
к образованию пор в шве, снижению его механических
свойств и, в первую очередь, пластичности, повышает
склонность к коррозионному растрескиванию. Подав-
лению пор способствует легирование швов Si и Мп.
Бронзы представляют собой многокомпонентные
сплавы на медной основе, основными легирующими
цементами которых являются Sn, Al, Si, Мп, Cr, Be, Fe,
Ni, Cd, P при содержании цинка не более 4-5%. Назва-
ние бронзы определяется по основному легирующему
«лементу (оловянные, кремнемарганцовистые хромис-
ihie и т. д.). Маркировка бронз предусматривает буквен-
ное и цифровое обозначение содержания легирующих
> icmchtob. Например, кремнемарганцовистая бронза
марки БрКМцЗ— 1 содержит 3% Si и 1% Мп, а бронза
Г>рАЖ9—4 содержит 9% А1 и 4% Fe. Широкое примене-
ние имеют бронзы оловянные (2—10% Sn), алюминие-
пые (4—11,5% А1), кремнистые (0,5—3,5% Si), хромистые
(0,4—1,0% Сг), выпускаемые по ГОСТ 483—79, ГОСТ
IК175—78, ГОСТ 5017-71 и ГОСТ 613-79. Бронзы вы-
пито отличаются от меди повышенными механически-
ми, коррозионными, антифрикционными свойствами.
Свариваемость бронз ограничивается образованием
и шве большого количества эвтектик и оксидов легиру-
ющих элементов. Например, наличие в составе бронз
фосфора или свинца способствует образованию легко-
и ывких эвтектик и появлению горячих трещин, а содер-
жание алюминия затрудняет сварку за счет образования
хрупких интерметаллидов СиА12 и тугоплавкого оксида
А1?О3, приводящих к трещинам и ухудшению форми-
рования шва и т. п. Указанные проблемы усложняют
203
Материалы и их поведение при сварке
технологию сварки как за счет трудностей подбора над-
лежащих сварочных материалов, так и повышенных тре-
бований к защите зоны сварки, выбору оптимальных
параметров режимов, способов подготовки и очистки
поверхности свариваемых поверхностей.
Мед но-никелевые сплавы представляют собой в
большинстве случаев неограниченные твердые раство-
ры. Они применяются как конструкционные теплостой-
кие, коррозионно-устойчивые и электротехнические
материалы и выпускаются по ГОСТ 492—78.
Наиболее широкое применение для сварных конст-
рукций получили сплавы марок МНЖ5—1, МНЖМц
30—1—1 (мельхиор), МН—19, МНЦ15—20 (нейзильбер),
МНМц 3—12 (манганин).
Основной трудностью сварки этих сплавов является
их склонность к горячим трещинам из-за образования
метастабильных и хрупких эвтектик, располагающихся
по границам зерен при кристаллизации шва. Как пра-
вило, охрупчивают швы примеси S, Р, О2, а также нера-
створимые в меди и никеле Bi и РЬ. Это ограничивает
их содержание в медно-никелевых сплавах и повышает
требования к уровню технологии их сварки (выбор сва-
рочных материалов, условия зашиты зоны сварки, спе-
циальное легирование швов и т. д.).
Другой проблемой свариваемости медно-никелевых
сплавов является порообразование, что связано с резким
снижением растворимости водорода при кристаллиза-
ции ванны. Этот процесс усугубляется различием в уров-
нях растворимости водорода в меди и в никеле. Нали-
чие в жидкой ванне кислорода (например, в виде закиси
никеля) способствует росту порообразования из-за по-
явления паров воды при взаимодействии закиси нике-
ля с водородом:
NiO + 2Н Ni + Н2О. (16.2)
204
Глава 16. <Чедь и медные сплавы
Азот также вызывает поры в медно-никелевых спла-
вах. Естественно, что предотвращение образования пор
может достигаться как использованием сварочных ма-
гсриалов высокой чистоты (по примесям и газам), так
и ведением в шов элементов-модификаторов (li, А1).
16.4. Технологические особенности
процессов и рекомендации по сварке
меди и ее сплавов
Выбор варианта технологического процесса сварки
определяется назначением изделия и требованиями к
уровню прочности, герметичности, коррозионной стой-
кости, элекгро- и теплопроводности соединений. С уче-
юм отмеченных выше особенностей меди и медных
с плавов (большая теплопроводность и жидкотекучесть,
активность по отношению к О2 и Н2 и др.) выбор опти-
м 11ьного варианта технологии становится непростой
। ычей, хотя все способы ручной и механизированной
сварки плавлением и пайки могут использоваться для
(о ищпия сварных соединений.
При разработке технологии сварки или пайки необхо-
шмо учитывать особенности термического воздействия
каждого из способов получения соединения на изменение
свойств металла шва и основного металла, возможности
Мс 1 аллургической обработки жидкого металла, формиро-
вание химического состава и структуры швов и т. д.
16.4.1. Подготовка под сварку
Основной металл перед сваркой тщательно очищают
<л окислов механическим (шабером, наждаком, метал-
205
Материалы и их поведение при сварке
лическими щетками) или химическим путем (травление,
например, в растворе, содержащем 75 мл HNO3, 100 мл
H2SO4, 1 мл НС1, остальное вода, с последующей про-
мывкой в воде и обезжириванием)- Как правило, при
S < 4,0 мм разделка не производится и сварка осуществ-
ляется за один проход, а при 4,0 мм < S < 10,0 мм при-
меняют разделку кромок с одной стороны (а = 60—
70 град) с притуплением кромок 1,5—3,0 мм. При боль-
ших толщинах применяют X- образную разделку и, как
правило, многопроходную сварку с двух сторон.
При подготовке под пайку очистка паяемых поверх-
ностей металла достигается применением флюсов, сни-
жающих поверхностное натяжение окислов и улучша-
ющих растекание жидкого припоя. В качестве флюсов
при пайке меди и ее сплавов используют канифоль, ка-
нифольные лаки, хлористый цинк, фтористый калий,
борный ангидрид, буру или самофлюсующиеся припои
с фосфором [14].
16.4.2. Технология сварки меди
Механизированная сварка под флюсом применяется
для соединяемых элементов S = 3 — 60 мм, в том числе
для стыковых соединений S < 40 мм. Технология, как
правило, не предусматривает предварительного подогре-
ва кромок. Для прихватки используют сварочные мате-
риалы (проволоки и флюсы), которые будут применять-
ся при сварке. Некоторые рекомендуемые сварочные
материалы для автоматической сварки меди под флю-
сом приведены в табл. 16 3
Переход легирующих (Si, Мп) из флюсов и проволок
в шов, как указывалось, повышает прочностные харак-
теристики шва, но ухудшает электропроводность и теп-
206
Глава 16. Медь и медные сплавы
Таблица 163
Сварочные материалы для сварки меди
Группа флюса Марка флюса Марка проволоки (пластины)
Высококремнистый марганцевый АН 348.ОСЦ-45М БрКМнЗ-1, БрОЦ4-3, Ml
Низкокремниегый безмарганцевый АН-20С Ml, БрКМцЗ-I, БрОЦ4-3
Среднекрс мнистый маломарганцевый АН-26С Ml, БрКМнЗ-1, БрОЦ4-3
Бескислородный фторидный AH-M1 Ml
Керамический ЖМ-1 Ml, М2, М3
юпроводность. Поэтому в зависимости от требований
к свойствам соединений подбираются различные систе-
мы флюс + проволока. Флюсы перед сваркой во избе-
жание порообразования прокаливают при Т = 300 —
400 С в течение 1 часа. При сварке заготовок толщиной
до S < 8 мм осуществляется односторонняя сварка, а при
больших толщинах — двусторонняя. При S > 20 мм
сварку без разделки кромок можно проводить расщеп-
ленным электродом, а при наличии разделки — бинар-
ным электродом. Угловые (тавровые) соединения тол-
щиной S = 16—30 мм осуществляются с односторонней
разделкой, а при S > 30 мм — с двусторонней V-образ-
ной разделкой. Сварку ведут на флюсовой, графитовой
или остающейся медной подкладке. В начале и оконча-
нии процесса используют заходные и выходные планки,
привариваемые к заготовкам с зазором не более 1 мм.
Прихватки обычно располагаются с шагом 300—400 мм, а
их длина — 50—100 мм. Зазоры в стыке должны быть ми-
нимальными, равномерными и жестко контролируемыми.
Для сварки используют стандартные источники пита-
ния постоянного тока и специальные автоматы. Сварка
207
Материалы и их поведение при сварке
производится током обратной полярности. Режимы
сварки выбираются такими, чтобы обеспечить наивы-
годнейшие значения коэффициента формы шва (v =
= е/а = 1,8-2,0), снижающие вероятность образования
горячих трещин. Ориентировочные режимы сварки
приведены в табл. 16.4 и могут уточняться при отработ-
ке технологии сварки конкретного изделия.
Таблица 16.4
Ориентировочные режимы сварки под флюсом
Тип соеди- нения Толщина элемента, мм Форма подгоговки кромок U.A Род тока иц,в м/ч Йщ», мм
Угло- ВОС 16-20 Бел разделки 500-1000 посто- янный обраг- ной поляр- ности 45-50 8,0-12,0 5,0
25-30 1000-1100 6,0-8,0 5.0-6.0
35-40 V- образная 1200-1400 48—55 4,0-6,0 6.0
Сты- ковое 5—6 Без разде1ки 500-550 38-42 40.0-45,0 4.0
10-12 700-800 40-44 15.0-20,0 4.0-5.0
16-20 850—1000 45-50 8,0-12,0 5,0
При сварке под флюсом нераскисленной меди М3, М4
рекомендуется использовать угольный элекгрод. В ка-
честве присадки при этом применяют профилирован-
ные медные прутки или проволоку (лучше латунную),
закладываемую в стык и способствующую раскислению
шва при их расплавлении.
Механизированная дуговая сварка в защитных газах
плавящимся и неплавящимся электродом нашла наибо-
лее широкое применение, что объясняется удобством
регулирования состава шва за счет использования про-
волок различного легирования, удобством наблюдения
за процессом, высокой производительноегыо при при-
20х
Глава 16. Медь и медные сплавы
мснении плавящихся электродов, возможностью осуще-
i । в 1ять сварку без подогрева (для S < 10 мм). Сварку ве-
v. । в нижнем положении на флюсовой подушке иди на
• »< чающейся медной подкладке для обеспечения требу-
емой формы проплава.
Для ответственных стыковых соединений S = 2.5—7,0 мм
преимущественно используется автоматическая сварка
пеплавящимся вольфрамовым электродом в инертных
и>|п в смесях инертных газов (особенно для корневых
шпон трубных соединений). При S = 20—60 мм более
не ^сообразна плазменная сварка без разделки кромок,
a ivbi малых толщин S = 0,1-1,0 мм (сильфоны, мемб-
раны) эффективна микроплазме иная сварка. В качестве
Нининых газов используются гелий, аргон высшего
н in рвого сортов (ГОСТ 10157-79).
В качестве электродов применяют вольфрамовые лап -
। тированные (ЭВЛ—10) или итерированные (ЭВИ—2)
। и ржи и по ГОСТ 23949—80. Возможно использование
юмно шционных неплавящихся электродов (вольфра-
м«»пыс стержни, плакированные медью), позволяющее
1 раза повысить плотность тока в электроде и суше-
• IIH HHO (в 5—7 раз) снизить расход вольфрама. Приса-
|ц<|||ыми материалами являются проволоки марок Ml и
МО,«•• >« спечиваюшие близость состава шва к основно-
м\ металлу.
При сварке плавящимся электродом в среде аргона
• ши используются бронзовые проволоки, легированные
•Ффекишными раскислителями и упрочняющими шов
• •и ментами, снижающие пористость швов (БрКМцЗ— 1,
lip\(»,5, Г>рОЦ4—3, БрОФ6,5—0,4).
। парку пеплавящимся электродом ведут на постоян-
ном токе прямой полярности. Ориентировочные режи-
мы о пюпрочоднои сварки пеплавящимся электродом
нрппс »сны в тайл. 16 5 111|.
2(Ю
Материалы и их поведение при сварке
Таблица 16.5
Ориентировочные режимы аргонодуговой сварки
Толщина, мм Зазор, мм Ц,Л ид,в ¥„,м/ч мм Ргаза, л/мин Т хпологрл
2,0 0-0,5 100-120 10-14 25-30 3-4 10-12 нет
4,0 1,0-1,5 380—400 12-16 39-35 4-6 12-14 300-400
Сварка плавящимся электродом в защитных газах
применяется значительно реже, что связано с нестаци-
онарным переносом электродного металла в ванну в за-
висимости от величины тока, нестабильностью горения
дуги, повышенным разбрызгиванием и ухудшением
формирования шва. При сварке в СО2 удовлетворитель-
ное формирование швов получается в узком контроли-
руемом диапазоне режимов (струйный перенос), что за-
трудняет широкое применение этого процесса. Сварка
проводится на постоянном токе обратной полярности.
Ручная дуговая сварка покрытыми электродами обес-
печивает удовлетворительные механические свойства
соединений, но существенно изменяет состав шва бла-
годаря его легированию раскислителями. При РДС рас-
кислители вводят как в стержень, так и в покрытие элек-
трода. В качестве стержней для электродов используются
медь марки Ml, бронзы БрКМцЗ—1, БрОФ4—0,25,
БрХ07 и латунь JT90. Покрытия обычно содержат мар-
ганцевую руду, полевой и плавиковый шпат, порошко-
образный алюминий, ферросилиций. Из наиболее час-
то применяемых электродов известными марками
являются К—100 («Комсомолец»), АНЦ—1, АНЦ-2,
ОМЗ—1, ЗТ Процесс сварки характеризуется повышен-
ным разбрызгиванием, повышенной пористостью швов
и, как правило, требует подогрева свариваемых элемен
тов до Т = 300-500 °C. Сварка ведется на постоянном
токе обратной полярности. Сварку выполняют короткой
210
Глава 16. Медь и медные сплавы
ivioH, «на проход», начиная и оканчивая процесс на
и хнологических планках. Угловые и тавровые соедине-
ния рекомендуется сваривать при положении шва
и лодочку». Ориентировочно ток сварки рассчитывает-
i я но формуле ICR = (45—55)ф, а для электродов марки
А1Щ —1СВ= (85-100) d3.
И j других видов сварки следует отметить ЭШС как
н тболее целесообразную для больших сечений. Сва-
рочные материалы, приведенные в табл. 16.3, использу-
мн я и при ЭШС. Характерной особенностью пропес-
। । сварки является необходимость в повышенных (по
( равнению со сталью) зазорах под сварку (в среднем 50—
•'О мм). Уменьшение зазора снижает стабильность пронес -
। и in за коротких замыканий электродной проволоки на
н I (слие и приводит к снижению глубины проплавления
н появлению дефектов, а большие зазоры — к сниже-
нию производительности и перерасходу присадочных
материалов. Существенный недостаток ЭШС меди —
рост зерна в ЗТВ из-за низкой скорости нагрева и сни-
жение из-за этого пластичности сварного соединения.
( парку ведут на переменном токе.
1ля ремонтных работ чаше всего используют газовую
ынегилено-кислородную) сварку при толщинах соеди-
пнемых элементов менее 15 мм. Для прихватки и свар-
k и используют медные прутки, легированные 2% Р и
J|,l5-0,3% Si или сварочную проволоку из меди марок
М IР, МЗр. Фосфор хорошо восстанавливает медь из за-
» и и меди и облегчает всплытие шлаков на поверхность
панны. Однако его избыток охрупчивает шов из-за по-
ипления эвтектики. Легирование кремнием препятству-
< । окислению ванны кислородом воздуха (за счет обра-
НИ1.1НИЯ SiO2 на поверхности ванны) и позволяет
in ушествлять сварку вертикальных швов. При сварке
♦к пользуют флюсы, одни из которых защищают ванну
oi окисления или способствуют выводу закиси меди в
211
Материалы и их поведение при сварке
шлак, другие — раскисляют медь [14]. В качестве газов
используют горючий газ ацетилен (С2Н2), выпускаемый по
ГОСТ 5457—75, и кислород — по ГОСТ 5583—78. Свароч-
ное пламя по составу должно быть строго нейтральным.
Газовой сваркой в основном осуществляются соеди-
нения встык и по отбортовке с точщиной металла 0,5—
2,5 мм. Требования к подготовке поверхности кромок,
чистоте сварочных и основных материалов по примесям
такие же, как и при дуговой сварке.
16.4.3. Технология сварки медных сплавов
Сварка латуней и бронз осуществляется аналогично
меди, и подробную информацию об этом можно полу-
чить в монографии [14]. Укажем на некоторые специфи-
ческие особенности процесса.
Сварка латуней, как указывалось, сопровождается
интенсивным выгоранием цинка (Тм,п = 907 °C), что
вызывает дополнительные трудности в получении проч-
ностных характеристик швов Кроме этого пары цинка
и окись цинка загрязняют очищенные свариваемые
кромки перед дугой, способствуя пористости швов.
Пары ZnO весьма токсичны, что требует усиленной вен-
тиляции рабочего места. Потери цинка (до 20%) в шве
требуют применения более легированных (Мп, Si), чем
основной металл, проволок, снижения величины про-
плавления за счет выбора способов и режимов сварки,
уменьшения доли участия основного металла в шве,
дополнительного контроля за состоянием поверхности
свариваемых кромок.
Все способы сварки плавлением, используемые для
меди, применимы и для латуней. Следует отдавать пред-
почтение сварке под флюсом (если не требуется равно-
прочности). При этом чаще всего в качестве сварочных
212
Глава 16. Медь и медные сплавы
м-иериалов используют проволоки из бронзы БрОЦ4—
1 >• флюсом АН—20 или прутки из латуни ЛК80—3 с пем-
ювидным флюсом. Сварка осуществляется постоянным
юком прямой полярности. Требования по подготовке
поверхности и формы разделок кромок аналогичны ука-
1ЛННЫМ для сварки меди. Особое внимание уделяется
ищите корня шва и заварке кратеров как источников
I ре Iцинообразования.
При сварке в защитных газах плавящимся электро-
дом механические свойства шва и соединений выше,
чем при сварке под флюсом, за счет более высокого ле-
гпрования швов из проволок. Как правило, такие спо-
ен* >ы используются при сварке гребных винтов, завар-
ке дефектов литья.
Для латунных труб малых толщин (S = 0,2—0,4 мм)
широко используется автоматическая микроплазменная
« варка.
При заварке дефектов литых латунных деталей рско-
м-идуется:
1) обязательное удаление дефектных мест с трещина-
ми, порами, включениями. Для этого допускает-
ся использование воздушной резки с последую-
щей зачисткой места сварки наждачным кругом
или пневмозубилом;
2) засверливание концов сквозных трещин перед раз-
делкой кромок;
3) в подготовленных под сварку местах обеспечить
необходимый скос кромок, без заусенцев и острых
углов;
4) поверхности под сварку и наплавку зачищать до
металлического блеска.
Сварка латуней неплавящимся вольфрамовым элек-
। родом аналогична по технике выполнения сварке меди
неплавящимся электродом.
213
Материалы и их поведение при сварке
Для ручной дуговой сварки латуней используются
электродные стержни и покрытия, указанные в табл. 16.6.
Сварка осуществляется постоянным током обратной
полярности (кроме электродов марки ЗТ) с использова-
нием подогрева свариваемых кромок до 250—300 °C.
Сварка ведется предельно короткой дугой для снижения
выгорания цинка. Ориентировочные режимы сварки
приведены в табл. 16.7.
Таблица 16.6
Стержни и марки электродов для дуговой сварки латуней
Марка свариваемого металла Марка электродного стержня Марка электрода (состав покрытия)
ЛбЗ, Л062-1, Л 68, ЛЦ40МцЗЖ ЛЦ16К4илиЛЦ40 ЗТ
Л63, Л 90, ЛМ1158-2 БрКМцЗ-1 илиЛЦ16К4 ЗТ
Л90,ЛМц58-2 БрАМц9-2 ЗТ
Таблица 16.7
Ориентировочные режимы сварки стыковых соединений
латуни
Толщина, мм Вид разделки кромок Тип шва Число валиков d3, мм U.A UVB
4 без разделки односторонний 1 4-5 140-160 18-20
10 Х-образная двусторонний 2-3 5-6 220-240 20-22
Особенностью сварки бронз, как указывалось, явля-
ются появление высокотемпературной хрупкости и сни-
жение технологической прочности швов (горячие тре-
щины). Выгорание легирующих и наличие вредных
примесей в металле шва может способствовать образо-
ванию трещин и пор.
214
Глава 16. Медь и медные сплавы
Наиболее применяющимися в сварных конструкци-
ях являются кремнистые и кремнемарганцевые бронзы.
Iпикая пленка SiO2 на поверхности сварочной ванны
и юлирует ее от взаимодействия с газами и предотвра-
iii.icr выгорание легирующих элементов.
Оловянные бронзы при сварке больше насыщаются
hi ими, в том числе водородом, что приводит к повы-
шенному образованию пор в швах. Кроме того для этих
бронз характерен широкий температурный интервал
»рисгаллизации, что способствует появлению кристал-
||| «анионных трещин особенно у линии сплавления.
При сварке алюминиевых бронз преимущественно
i»i>p.i дуется тугоплавкий окисел А12О3, покрывающий ван-
н\, ухудшающий сплавление кромок, вызывающий тре-
||| ины и поры Этот окисел нс растворяется в жидкой ван-
не, он загрязняет металл шва в виде неметаллических
нк точений, снижает механические свойства соединений.
Применение при сварке специальных галлоидных флю-
। он частично разрушает эту окисную пленку. В качестве
•if к сродных или присадочных материалов используют
проволоку БрАМц9—2, БрАМцН9—7—2, БрАМцЖНЦ8-
IО 3—2—2, обеспечивающие достаточные механические
। пойства шва за счет легирования и эффективного рас-
кисления металла швов.
При сварке оловянно-кремнистых бронз в качестве
проволок и стержней для электродов используются
бронзы БрОЦ4—3 и БрОФ8—0,3.
В качестве флюсов при сварке бронз используются
как керамические марок ЛПИ-К1, ЛПИ-К2 (для алю-
миниевых бронз), так и плавленые марок ОСЦ—45, АН—
ДМ ’, АН-26С для оловянно-кремнистых бронз.
При сварке бронз в среде аргона используют практи-
•к (ки те же марки присадочных материалов, а в каче-
II вс электродов — вольфрамовые стержни. Техника
215
Материалы и их поведение при сварке
ведения процесса и подготовка поверхности сваривае-
мых кромок такие же, как применяемые при сварке
меди или латуни. Более подробную информацию по
сварке бронз в защитных газах можно получить в лите-
ратуре [6,14].
Ручная сварка бронз покрытыми электродами произ-
водится, как правило, с подогревом до Т — 200—300 “С.
Механические свойства соединений характеризуются
достаточной прочностью (450—550 МПа) и удовлетвори-
тельной пластичностью (20—35%).
Широко используется технология наплавки меди на
сталь (для подшипников скольжения). Основная про-
блема свариваемости — охрупчивание поверхностных
слоев стали за счет интенсивного проникновения жид-
кой меди в сталь по границам зерен. Степень охрупчи-
вания во многом определяется температурой перегрева
меди и временем контакта жидкой меди с твердой ста-
лью, что предъявляет особые требования к видам, режи-
мам и технике осуществления процесса сварки (мини-
мальная погонная энергия, ускоренное охлаждение
медного слоя и т. д ). Подробные сведения об этом про-
цессе можно получить в литературе [4].
Вопросы для самопроверки
1. Назовите свойства меди и ее сплавов, позволяющих
их использовать в качестве конструкционных мате-
риалов.
2. В чем причина образования горячих трещин при свар-
ке меди ?
3. Что такое «водородная болезнь» меди ?
4. Укажите, как маркируются бронзы.
216
Глава 16. Медь и медные сплавы
5. Назовите основные операции подготовки поверхно-
сти медных сплавов под сварку.
6. Как маркируются латуни ?
Z Назовите способы сварки, используемые для медных
сплавов.
К К какому дефекту швов приводит выгорание цинка
при сварке латуни?
9. Назовите основные трудности сварки медноникеле-
вых сплавов.
—г. —: Глава 17 - --- —
НИКЕЛЬ И ЕГО СПЛАВЫ
17.1. Основы производства и свойства
никеля и его сплавов
Никель и его сплавы (Ni > 55%) обладают высокой
коррозионной стойкостью, жаропрочностью, жаростой-
костью, пластичностью и применяются в химической,
нефтехимической, оборонной промышленности, энер-
гетике, электронике и других отраслях. Никель входит
в состав многих сталей и сплавов как легирующий эле-
мент, а также применяется в качестве антикоррозион-
ного покрытия или подслоя под покрытия из других
металлов.
Сырьем для производства никеля являются никеле-
вые или сульфидные медноникелевые руды, типа nNiO-
SiO2 m MgO’SiO/НэО или сульфид NiS [ 15]. Руды содер-
жат примерно 1—7% Ni, 2,5% Си, а также примеси, час-
то включающие в себя кобальт, платину, иридий и дру-
гие элементы (Fe, Си, Мп, Si).
Обогащенную руду, содержащую до 75-80% Ni, вос-
станавливают древесным углем. В таком черновом спла-
ве содержится 99,2—99,6 (Ni + СО)%, 0,3—0,8% Fe и
0,4% Си. Дальнейшее электрическое рафинирование
сплава (в водном растворе NiSO4) позволяет получать
никель, соответствующий требованиям стандарта
(ГОСТ 849—70). Такой никель перерабатывается на
218
Глава 17. Никель и его сплавы
полуфабрикаты (листы, полосы, прутки и проволоку).
II । него изготовляются сплавы на никелевой основе.
Физические свойства чистого никеля приведены в
1йбл 17.1.
Таблица 17.1
Физические свойства никеля
Свойство Численные значения Свонство Численные значения
Температура плавления 1455‘С Термин, коэффициент линейного расширения 13,3- 10й, к1
Коэффициент «> нлопроводносш 0.59 Дж/см трал Предел прочности при 20 °C: отожженный деформированный 400-500 МПа 750-900 МПа
11лотностъ 8,9 г/см
Технический никель по ГОСТ 849—70 выпускается
нескольких марок различной чистоты: от ПО (99,99% Ni)
>ю 114 (97,6% Ni).
В техническом никеле в качестве сопутствующих
примесей содержатся Si, Мп, Mg, С и др.
11аиболее широкое распространение получили нике-
к’пыс сплавы систем Ni-Cu, Ni-Сг, Ni-Cr-Fe, Ni-Fe идр.
H< с сплавы никеля разделены на 4 группы: конструкци-
онные, термоэлектрические, жаропрочные и с особыми
®пойствами.
К первой группе относятся медноникелевые спла-
вы — монель, мельхиор, нейзильбер, выпускаемые по
I ОСТ 492—73. Ко второй относятся сплавы типа хро-
мель, алюмель, манганин, отличающиеся высоким
удельным сопротивлением, большой величиной термо-
не ктрод вижу щей силы, используемые для изготовле-
ния гермопар, компенсационных проводов, прецизион-
ных приборов.
' 219
Материалы и их поведение при сварке
К третьей группе относятся нихромы (Ni-Cr-Fe), ха-
рактеризующиеся более высокой жаропрочностью, ока-
линостойкостью и электросопротивлением по сравне-
нию со сталями и применяющиеся для изготовления
электронагревательных приборов, малогабаритных со-
противлений и т. д. Такие сплавы выпускаются по ГОСТ
5632—72 и ГОСТ 12766-67. К четвертой группе относят-
ся сплавы с высокой магнитной проницаемостью (пер-
маллой), упругостью (инвар, ковар), выпускающиеся по
ГОСТ 10169—75 и ГОСТ 10994-76 и используемые для
изготовления сердечников трансформаторов, магнито-
проводов, реле, для деталей, не меняющих своих разме-
ров при изменении температуры, для термобиметаллов,
в стеклометаллических конструкциях и т. п.
Сплавы никеля с железом используются в сварных
конструкциях, работающих в условиях высоких нагру-
зок и температур эксплуатации (Т = 1100 °C) [15]. Напри-
мер, для газопроводных систем, деталей двигателей, тур-
бин широко используются сплавы ХН78Т, ХН77ТЮР.
Основными легирующими в них являются Сг, Si (ока-
линостойкость), Ti, Al, Со, Mo, Nb (жаропрочность).
17.2. Свариваемость и способы сварки
Сварка никеля и его сплавов затруднена вследствие
их высокой чувствительности к изменению физических
и механических свойств в зависимости от содержания
примесей (Р, S) и повышения концентрации растворен-
ных газов в металле шва. Последние вызывают порис-
тость швов и «водородную болезнь» из-за резкого сни-
жения растворимости О2,Н2, N и СО при понижении
температуры жидкого металла и ограниченной возмож-
ности выхода этих газов при кристаллизации шва. Наи-
большее порообразование связывают с насыщением
220 ’
Глава 17. Никель и его сплавы
к югом, особенно в присутствии кислорода. Металл шва
весьма склонен к охрупчиванию благодаря образованию
•вгектики Ni-NiO (Т11Л= 1438 С), располагающейся по
i рапирам кристаллитов при затвердевании сварочной
ванны и снижающей прочность границ зерен. Поэтому
обеспечение надежной защиты зоны сварки от кисло-
рода, применение основных и сварочных материалов
высокой чистоты по примесям, раскисление и дегазация
< варочной ванны являются основными условиями по-
учения качественных соединений при любых видах
i варки плавлением.
Кроме указанного существенно затрудняют сварку
никеля кристаллизационные трещины, вызываемые
образованием легкоплавких эвтектик типа Ni3S2-Ni (TIVI
• 645 °C) и Ni3P-Ni (Та1= 880 °C). Пластичность такого
металла шва становится исчезающе малой. Глубина и
। орость проникновения серы в никель зависят от тем-
пературы нагрева участка сварного соединения. При
I 400 °C проникновение серы в никель почти не на-
н подается, а при Т > 400 °C сера интенсивно взаимодей-
< шуст с никелем (особенно чистым). Сульфид никеля
Ni.S2 образуется даже при кратковременных контактах
С материалами и средами, содержащими небольшие ко-
шчества серы (масло, жиры, краски, горючие материа-
н.|). В связи с этим необходимо ограничивать содержа-
ть' серы и фосфора (<0,03% S и <0,04% Р по массе),
в основном и сварочных материалах, и обеспечивать
комплексное легирование шва (например, марганцем).
Из-за низкой теплопроводности никель и никелевые
< и швы при сварочном нагреве склонны к росту зерна,
•по снижает пластические и прочностные характеристи-
I п шва. Снижение роста зерен достигается введением в
в in ну модификаторов (Ti, Mo, А1) и ограничением по-
। пипой энергии сварки. Химический состав шва за счет
нпюлнительного легирования (через электродный
221
Материалы и их поведение при сварке
металл), как правило, должен отличатся от состава ос-
новного металла, так как без этого невозможно достичь
необходимых механических характеристик шва.
При сварке сплавов системы Ni-Cu (монель-металл)
основным загруднением является повышенная литейная
усадка металла шва, что приводит к горячим трещинам,
а при сварке сплавов системы Ni-Cr (нихром) появля-
ющаяся окисная пленка Сг->03 затрудняет формирование
шва, увеличивает вероятность образования трещин и
несплавлений в корне шва.
Зона термического влияния в большинстве сплавов
никеля нс закаливается и поэтому подогрева при свар-
ке практически не требуется. Однако для сплавов сис-
темы Ni-Mo-Cr нагрев после сварки до Т < 700—800 °C
с последующим охлаждением на воздухе позволяет пре-
дотвратить М КК, измельчить и дезориентировать струк-
туру швов и снизить уровень сварочных напряжений.
Для соединения никеля и его сплавов используются
следующие способы сварки: газовая и угольным элект-
родом, покрытыми электродами, под флюсом и в среде
защитных газов, плазменная, электрошлаковая. Наи-
большее применение для ответственных конструкции
нашли сварка в защитных (инертных) газах, электрон
но-лучевая сварка и сварка под флюсом.
17.3. Технологические рекомендации
по сварке
17.3.1. Подготовка кромок под сварку
Основным условием получения качественных соеди-
нений никеля и его сплавов является обеспечение вы-
сокой чистоты свариваемого и сварочных материалов
222
Глава 17. Никель и его сплавы
(проволоки, покрытия, флюсы) по примесям и газам.
Свариваемые кромки и прилегающие к ним участки
шириной 20—30 мм тщательно зачищаются механичес-
ким способом до металлического блеска и обезжирива-
ются ацетоном, чистым бензином или уайтспиритом для
удаления налета, содержащего серу (заводская атмосфе-
ра, транспортировка, технологическая смазка). В нско-
юрых случаях (например, после горячей обработки заго-
говок) пленка окислов с поверхности кромок удаляется
i равнением в растворе следующего состава: 1 л Н2О, 1,5 л
11 SO4, 2,25 л HNO3 и 30 г NaCl. После травления обл-
ип ельна промывка кромок в воде с последующей их
нейтрализацией в 1%-ном растворе HNO3 и просушкой.
Из-за повышенной вязкости жидкого металла ванны
। дубина проплавления несколько снижается. Поэтому
p.i щелка кромок делается под более широким углом,
л величина притупления уменьшается по сравнению с
i оответствуюшими толщинами заготовок из стали.
11с рекомендуются соединения по отбортовке кро-
мок, так как это может привести к щелевой коррозии
m ia попадания агрессивной среды с обратной сторо-
ны шва (в «карманах»). Зазоры при сварке должны быть
минимальными, чтобы снизить время их заполнения и
уменьшить рост зерна при нагреве кромок, а следова-
н’ н>но, уменьшить вероятность трещинообразования.
При всех способах сварки следует стремиться к умень-
шению числа проходов.
17.3.2. Технология сварки и сварочные
материалы
Использование тех или иных марок проволок, элек-
। ро дов, флюсов, газов определяется уровнем требований
к i парным швам и соединениям.
223
Материалы и их поведение при сварке
При газовой сварке применяют сварочную проволо-
ку из никеля марок Н—1, НП—1, НП—2 или комплекс-
но-легированных проволок марок НМцАТЗ—1,5—0,6,
НМц2,5, НМнТК!—1,5—2,0, обеспечивающих эффек-
тивное раскисление металла сварочной ванны и его ле-
гирование. Диаметр присадочной проволоки должен
составлять dnp= 0,5 S основного металла, но нс более
6 мм. В качестве флюсов используются плавленые фто-
ридные и высокоосновные флюсы марок АНФ—5,
АНФ-7, АН—8, 48ОФ6, наносимые на свариваемые
кромки в виде паст.
Анетилено -кислородное пламя должно быть нормаль-
ным (или слегка восстановительным), чтобы избежать
пористости шва. Для малых толщин (1—2 .мм) использу-
ется «левый» способ сварки, а при больших — «правый».
Во избежание пористости швов проволока и ядро факе-
ла не должны касаться ванны, а ванна не должна пере-
мешиваться присадкой в процессе сварки.
Сварка ведется как без разделки кромок (S = 1—3 мм),
так и с V-образной разделкой (S > 4 мм) с углом раздел-
ки до 70°. Сварные соединения из никеля, как прави-
ло, имеют ои= 275—315 МПа и а = 90—120°. Нормализа-
ция после сварки с Т = 850—900 °C повышает пластичность
и вязкость соединений.
При сварке нихрома используют проволоки, близкие
по составу к основному металлу. В качестве флюсов при
этом чаше используют смесь буры и борной кислоты [15]
Для сварки угольным электродом используются те же
флюсы, что и для газовой сварки. Иногда для повыше-
ния степени раскисления шва во флюсы добавляют по-
рошки алюминия, ферротитана, феррованадия В каче-
стве присадочных материалов чаще используют
проволоку НМц2,5. Сварка ведется на постоянном токе
прямой полярности. С целью избежания перегрева ме-
224
Глава 17. Никель и его сплавы
галла околошовной зоны процесс сварки ведут на по-
вышенных скоростях.
Ручная дуговая сварка покрытыми электродами при-
меняется для соединения металла толщиной S > 1,5 мм
с использованием постоянного тока обратной полярно-
сти. При толщине S < 3—4 мм разделка кромок не про-
изводится, при больших толщинах применяется V-об-
разная (S = 4—12 мм) или Х-образная (S = 8—20 мм)
разделки. Угол разделки кромок не менее 70—75°, а ве-
личина притупления — 0,5—3,0 мм. Сварка, как прави-
ло, осуществляется «на проход», а в случае многопроход-
ной сварки необходима тщательная очистка поверхности
промежуточных слоев. Длинные швы (111В > 500 мм) ре-
комендуется выполнять участками с разрывами, кото-
рые завариваются после очистки шлака, что повышает
их пластичность и снижает уровень остаточных напря-
жений.
Сварку ведут преимущественно в нижнем положении
шва на медных подкладках, контролируя степень при-
легания подкладки к металлу соединения. Неплотное
прилегание кромок к подкладке приводит к окислению
проплава и образованию трешин в корне шва. При вы-
поре величины сварочного тока с целью избежания пе-
регрева электрода пользуются ориентировочной зависи-
мостью 1СВ= (35—40)d3n, а скорость перемещения дуги
(скорость сварки) должна быть на 15% меньше скорое-
1 и сварки стали соответствующей толщины (VcnMax = 7—
‘1 м/ч). Ориентировочные режимы ручной дуговой свар-
ки приведены в табл. 17.2.
Основным дефектом швов при РДС являются поры.
Лучшее качество швов (меньше пор) получают при свар-
ке электродами с фтористокарбонатными покрытиями
(марка П—2Н) или рутилфтористокарбонатными (ОЗЛ-
С) Для технического никеля наибольшее применение
В 61
225
Материалы и их поведение при сварке
Таблица 17.2
Ориентировочные режимы ручной дуговой сварки
покрыл ыми электродами
S, мм d^,, мм L„, мм к, А S, мм <и М М LM, мм Тс А
<2 2,0 150-200 30-50 3-5 3-4 250-300 80-140
2-2,5 2,0-3.0 200-225 40-80 5—8 4 300 90-100
2,5-3,0 3,0 225-250 70-100 8-12 4-5 300-400 100-165
получили электроды марок Н—10, Н—37, «Прогресс»,
ИМЕТ—7, ИМЕТ—10, ВИ—2-6, стержни которых вы-
полнены из никеля марок Н1 и Н2. В покрытиях основ-
ными составляющими являются мрамор (40—43%) и
плавиковый шпат (18—42,5%). При сварке неответствен-
ных соединений можно использовать электроды марки
УОНИ—13/45. Однако в этом случае весьма высока по-
ристость швов. Для сварки никелевых сплавов соглас-
но ГОСТ 10052—75 предусмотрены электроды типов Э—
08Н60Г7МТ, Э-08Х25Н60М10Г2. Для никельхромистых
сплавов ХН78Т, ХН77ТЮР применяют электроды мар-
ки ЦТ—28, обеспечивающие оптимальное сочетание
прочности и пластичности и жаропрочности.
При РДС сварке толщин S > 15 мм для улучшения
пластичности и снижения пористости часто использу-
ют подогрев кромок до 200—250 °C и применяют после
сварки нормализацию или производят проковку (про-
катку) швов.
Особенностью сварки под флюсом и электрошлако-
вой сварки никеля и его сплавов является применение
сварочных проволок, идентичных по составу с основ-
ным металлом, и фторидных плавленых флюсов (см.
табл. 17.3).
226
Глава 17. Никель и его сплавы
Таблица 17.3
Сварочные материалы для сварки никеля под флюсом
Сплав Проволока Флюс
Н1,Н2 Н-1, НП-1,НП-2 ЖН-1
НШ, НП2 НП-2, НМц2,5 АНФ-5
ХН77ТЮР ХН77Т10 АНФ-5, АНФ-22
ХН65МВ ХН65МВ АНФ-5
Сварку ведут на постоянном токе обратной полярно-
сти валиками небольшого сечения (во избежание пере-
грева металла), проволоками малого диаметра (dnp = 2—
< мм), на малых вылетах электрода из мундштука, что
уменьшает разбрызгивание и улучшает формирование
шва (уменьшается перегрев проволоки)
Подготовка поверхности и виды разделок кромок
такие же, как и при ручной сварке (механическая зачи-
стка, повышенные углы разделки, жесткие требования
к величине зазоров и т. п.). При элсктрошлаковой сварке
часто используются пластинчатые электроды из спла-
вов, соответствующих основному металлу и бескисло-
родные фторидные флюсы, например, АНФ—7.
Наиболее распространенным способом сварки нике-
1Я и его сплавов, обеспечивающим высокое качество
(прочность, сплошность, отсутствие пор и трещин) яв-
шется аргонодуговая сварка (преимущественно непла-
вящимся электродом), при которой сварочная ванна
надежно защищается от газов атмосферы струей аргона,
(обавка к аргону до 20% Н2 существенно снижает по-
ристость за счет связывания кислорода воздуха водоро-
дом и снижения вероятности образования закиси нике-
|я (NiO) — основного фактора порообразования.
Добавка водорода должна контролироваться по расходу,
н- 227
Материалы и их поведение при сварке
особенно при сварке тонколистовых соединений или
при сварке корневых швов многослойных соединений.
В качестве присадочных материалов применяются
проволоки, легированные до 3% титаном (НМцАТЗ—
1,5-0,6, HMnATKl—1,5—2,5-0,15), предотвращающие
поры и трещины, а в качестве электродов — вольфрамо-
вые электроды ЭВЛ—10, ЭВИ—1. Увеличение доли ле-
гированных присадочных материалов в шве до 70—85%
предупреждает появление горячих трещин.
Сварка ведется на постоянном токе прямой полярно-
сти, иногда допускается переменный ток. Начинать про-
цесс рекомендуется вне изделия, а при заварке кратеров
(обязательная операция) плавно снижать ток, чтобы
избежат ь в них появления трещин. Сварку осуществля-
ют либо на медных подкладках, либо с обязательным
поддувом аргона в корневую часть шва.
Подготовка и защита свариваемых поверхностей пре-
дусматривает зачистку свариваемых кромок на ширину
20—30 мм, обезжиривание кромок и присадочных мате-
риалов, защиту аргоном обратной стороны шва, приме-
нение сопел специальной конструкции («сапожок»)
и т. п. При многопроходной сварке последующие швы
накладывают после полного охлаждения, зачистки от
шлака и обезжиривания предыдущих слоев.
Сборка под сварку должна осуществляться в зажим-
ных приспособлениях желательно без прихваток. При
необходимости прихватки они должны осуществляться
без присадочной проволоки. Для обеспечения гаранти-
рованного провара и снижения пористости применяют
аргонодуговую сварку с использованием активирующих
флюсов (флюсов-паст), наносимых на кромки непос-
редственно перед сваркой. Наиболее широко в качестве
флюса используется спиртовый раствор смеси компо-
нентов TiO2-Li3AlF6, известный под маркой ФС—300.
228
Глава 17. Никель и его сплавы
Вопросы для самопроверки
7. На какие группы по назначению разде tя юте я нике-
левые сплавы?
2. Назовите основные проблемы свариваемости никеле-
вых сплавов.
3. Какой дефект шва вызывает эвтектика Ni-NiO?
4 Почему необходимо резко ограничивать содержание
в шве серы и фосфора ?
5. Какой фактор способствует росту аустенитного
зерна при сварке никеля ?
6. Назовите способы сварки никелевых сплавов.
7. Каков характер покрытий у электродов для сварки
никелевых сплавов?
8. Для чего при сварке в аргоне рекомендуется добавка
в аргон водорода ?
9. Для чего используются флюсы-пасты при сварке в
аргоне ?
— Глава 18
АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ
18.1. Основы производства и свойства
алюминия и его сплавов
Алюминий и его сплавы играют важную роль в про-
мышленности ряда стран мира, что иллюстрируется ди-
аграммой на рис. 18.1.
Рис. 18.1. Примерное использование алюминия и его ставов
в мире (1998—2000 гг.)
Чистый алюминий ввиду низкой прочности (ав< 100
МПа) чаще используется в электротехнической и пище-
вой промышленности. В качестве конструкционных
230
Глава 18. Алюминий и его сплавы
материалов в машиностроении применяются алюмини-
евые сплавы различного состава, которые благодаря
малой плотности, высокой удельной прочности, корро-
июнной стойкости и хорошей технологической обраба-
1ываемости используются в авиа- и судостроении, стро-
ительстве, транспорте, химическом машиностроении и
криогенной технике.
Алюминий является самым распространенным ме-
таллом и в природе находится в виде руд (бокситы, не-
фелины, алуниты). Основными для производства алю-
миния являются бокситы, состоящие из гидратов оксида
алюминия АЮ(ОН), А1(ОН)3 и содержащие в своем со-
ставе до 70% глинозема А12О3 с примесью кремнезема
SiO2 (0,5—1,5%) и пустой породы. Производство алюми-
ния состоит из двух основных процессов: получения
глинозема АЬО3 из бокситов и получения электролизом
алюминия из глинозема.
В качестве электролита в электролизере использует-
ся расплав глинозема (8—10%) и криолита NajAlF6(90%).
Схема электролизера показана на рис. 18.2.
В расплавленном электролите 7 при Т = 930-950 “С
происходит диссоциация молекул криолита и глинозема:
Na3AlF6->3Na++AlF63’, А12О3->А13++АЮ33’.
На катоде 1 осаждается алюминий (АР^+Зе-эА!), а на
аноде 9 образуется глинозем и кислород (2А1О33'—6е->
А12О3+1,5О2). Расплавленный алюминий 6, скапливаю-
щийся на поде 2 электролизера, периодически удаляет-
ся при помощи сифонов и вакуумных ковшей.
Для получения 1 т алюминия расходуется 2 т глино-
юма, 0,6 т угольных электродов, 0,1 т криолита и 16500—
18500 кВт/ч электроэнергии.
В полученном алюминии содержатся примеси (Fe, Si,
Л12О3) и для их удаления при Т = 700-750 °C произво-
231
Материалы и их поведение при сварке
Рис. 18.2. Схема электролизера для получения алюминия:
1 — катодная шина; 2 — под из углеродных блоков; 3 — футеровка
из углеродных бчоков; 4 — застывший электролит; 5 — кожух,
6 — расплавленный алюминий; 7 — расплавленный электролит;
8 — глинозем; 9 — анодная шина; 10 — кожух анода;
11 — стальной держатель
дят продувку алюминия газообразным хлором, который
очищает его от газов и примесей. Чистота алюминия
при этом составляет 99,85%. Дальнейшее электролити-
ческое рафинирование повышает чистоту металла до
99,99%. После этого алюминий разливается в «чушки»
массой 5—15 кг. Алюминиевые сплавы получают леги-
рованием и переплавкой алюминия.
Основные теплофизические и механические свойства
алюминия приведены в табл. 18.1.
Химическая активность алюминия и его сплавов ха-
рактеризуется большим сродством к кислороду. Туго-
плавкая (Т = 2050 °C) и плотная (у = 3,4 г/см;) окисная
пленка А12О3 на поверхности защищает алюминии от
232
Глава 18. Алюминий и его сплавы
Таблица 18.1
Основные физические и механические свойства
технического алюминия
Свойство Численное значение Свойство Численное значение
(емпсратура и кишения, ’С 658—660 Теплопроводность, кал/см- с- град 0,5-0,54
II 1ОГН0СТ!., г/см 39631 С кр ытая тс плота плавления. кал/г 97,6
1 l мпература кпиемия. *С 2270-2500 Термический коэффи- ниепт л инейною рас- ширения при Т = 20 —100”С, 1/К 23,8-10'6
Предел прочнос- III МПа литой пожженный ле <|*>рмнро ванный 90-120 80-110 150-250 Скрытая тс пло га испарения, кал/г 2100- 2300
Удельная теплоемкость Дж/кг-К 900
Пластичность, % О1ОЖЖСННЫЙ ii.uipro ванный 20-28 5-7 Удельное элекфо- сопрогиаченис, Ом см 2,6—2.9 1 О'6
ычьнейшего окисления и взаимодействия с окружаю-
щей средой. Это обеспечивает алюминию сравнитель-
но высокую стойкость против коррозии в ряде сред
(впажной атмосфере, концентрированной азотной кис-
чоте, в органических кислотах). Однако эта пленка и
.1 но.миний растворяется в щелочах, в разведенных азот-
ной и серной кислотах. Алюминий склонен к местной
।очечной, межкристаллитной коррозии и коррозии под
и.(пряжением. Растворимость газов в алюминии ограни-
чена, что способствует порообразованию при сварке.
В качестве полуфабрикатов из алюминиевых сплавов
выпускаются листы, профили, трубы и др., огличающие-
(.я сравнительно высокой прочностью (ов < 500-700 МПа),
у аовлетворительной свариваемостью, обрабатываемостью
233
Материалы и их поведение при сварке
режущим инструментом и легкостью деформирования.
По удельной прочности о/у некоторые из алюминиевых
сплавов (например, Д16) значительно превосходят чу-
гун, низкоуглеродистую и низколегированную сталь,
чистый титан и уступают лишь сталям повышенной
прочности и высокопрочным сплавам титана.
В качестве основных легирующих элементов в алю-
миниевых сплавах используют магний, марганец, медь,
кремний, цинк, реже никель, титан. Легирующие эле-
менты образуют с алюминием как ограниченные твер-
дые растворы (Мп, Mg), так и промежуточные фазы
(CuA12, Mg2Si и др ).
18.2. Классификация промышленных
сплавов алюминия
По способу производства и содержанию легирующих
алюминиевые сплавы разделяются на две группы: дефор-
мируемые и литейные. Границей, разделяющей их, явля-
ется предел растворимости легирующих в твердом раство-
ре. В деформируемых двухфазных сплавах концентрация
легирующих ниже предела растворимости и поэтому при
нагреве (когда повышается их растворимость) они могуз
быть переведены в однофазное состояние, что обеспечи-
вает им высокую деформационную способность. В ли-
тейных сплавах содержание легирующих превышает их
предельную растворимость. Эти сплавы содержат эвтек-
тику, сообщающую сплавам повышенную жидкотеку-
честь, лучшую заполняемость формы, но понижающую
их способность к деформации при охлаждении, что спо-
собствует образованию трещин.
Большинство легирующих элементов ограниченно
растворимы в твердом растворе, что сообщает Al-спла-
вам способность к упрочнению термообработкой за счет
234
Глава 18. Алюминии и его сплавы
выделения вторичных фаз. Упрочнению подвергаются
все литейные сплавы и часть деформируемых, у которых
концентрация легирующих больше их предела раство-
римости при комнатной температуре. В связи с этим
теформируемые сплавы разделяются на неупрочняемые
термообработкой и упрочняемые термообработкой (рис.
18.3). К деформируемым неупрочняемым термообработ-
кой относится технический алюминий (АДО, АД1),
алюминиевомарганцевый сплав АМц и алюминиевомаг-
пиевые сплавы АМг1, АМг2, АМгЗ, АМг5В, АМгб.
К термически упрочняемым деформируемым сплавам от-
носятся нижеследующие группы сплавов:
• группа 1 — сплавы системы Al-Cu-Mg: Д1, Д16,
Д19, ВАД1;
• группа 2 — сплавы системы Al -Mg-Si и Al-Cu-Mg-Si:
АВ, АД31, АДЗЗ, АК6, АК6-1, АК8(авиали);
• группа 3 — сплавы системы Al-Cu-Mg-Fe-Ni: АК2,
АК4;
• группа 4 — сплавы системы Al-Cu-Mn: Д20, ВАД-23;
• группа 5 — сплавы системы Al-Zn-Mg-Cu: В93,
В95, В96;
• группа 6 — сплавы системы Al-Mg-Zn: В92Ц,
AUM.
Известны также классификации AI-сплавов по пока-
гатслям механических, коррозионных свойств, сварива-
емости и т. д. [16] К свариваемым из них относятся
сплавы АД, АД I, АМЦ, AM,, АВ, АД31, АДЗЗ, В92Ц.
Литейные сплавы в зависимости от состава разделя-
ются на 5 групп:
• группа 1 — сплавы системы Al-Si: АЛ2, АЛ4, АЛ9;
• группа 2 — сплавы системы AJ-Mg: АЛ8, АЛ 13,
АЛ 22;
• группа 3 — сплавы системы Al-Си: АЛ7, АЛ 12,
АЛ19;
235
Материалы и их поведение при сварке
Содержание второго компонента, %
Рис. 18.3. Классификация алюминиевых сплавов по бинарной
диаграмме: 1 — деформируемые; 2 — литейные; 3 — деформируемые
неупрочняемые термообработкой; 4 — деформируемые упрочняемые
термообработк ой
• группа 4 — сплавы системы Al-Si-Cu: АЛЗ, АЛ5,
АЛ6, АЛ10В;
• группа 5 — прочие сплавы: АЛ 11, АЛ 16В, АЛ20.
Алюминиевые сплавы выпускаются и маркируются
по ГОС! 4784—74, а полуфабрикаты (листы, профили,
трубы) из них по ГОСТ 8617-75 и ГОСТ 8110-75.
В последние годы в технике находят применение теп-
лопрочные материалы типа САП (спеченная алюмини-
евая пудра), изготовленные методами порошковой ме-
таллургии Свариваемость этих сплавов низкая за счет
высокой склонности к трещинообразованию, и зачас-
тую известными способами сварки плавлением они не
устраняются (16). Исключение составляет способ арго-
нодуговой сварки неплавя снимся вольфрамовым элек-
тродом при повышенном давлении аргона.
236
Глава 18. Алюминии и его сплавы
18.3. Свариваемость алюминия
и его сплавов
Технологическая свариваемость алюминия и его
сплавов осложняется специфическими теплофизичес-
кими свойствами (теплоемкость, теплопроводность,
теплота плавления, температура плавления), системой и
уровнем легирования, количеством примесей (Fe, Si),
объемом растворенных газов (О2, Н2), а также особен-
ностями кристаллизации сварочной ванны (рост зерна,
высокие скорости охлаждения, развитие химической,
структурной и механической неоднородности и т. д.).
Указанное многообразие факторов и часто противопо-
ложное их воздействие на уровень свойств сварных швов
и соединений (пластичность, вязкость) предопределяет
появление дефектов металлургического и технологичес-
кого характера, снижающих свойства в сравнении с ос-
новным металлом и ограничивающих использование
сварных соединений в конструкциях ответственного
назначения. Устранение причин появления дефектов
или их исправление осложняет технологию сварки и,
следовательно, ухудшает технологическую сваривае-
мость алюминия и его сплавов.
С этой точки зрения технологическую свариваемость
следует оценивать как наличие определенных проблем
(трудностей) сварки, к которым можно отнести склон-
ность к горячим (кристаллизационным), а иногда и к
холодным трещинам, образование окисных включений
в швах, ухудшающих сплавление кромок и охрупчива-
ющих металл шва, пористость и нарушение формиро-
вания швов, повышенные сварочные деформации и ко-
робление свариваемых кромок в процессе сварки и т. д.
Известно, что склонность к горячим трещинам (техно-
югическая прочность в процессе сварки) конструкци-
237
Материалы и их поведение при сварке
онных сплавов определяется уровнем их деформацион-
ной способности в период кристаллизации, а также тем-
пом нарастания растягивающих напряжений в температур-
ном интервале хрупкости (ТИХ). Механизм образования
горячих трещин описан в литературе [4, 7], а схема про-
цесса показана на рис. 8.1. Специфическими и усугуб-
ляющими факторами трещинообразования при сварке
Al-сплавов являются более широкий (в сравнении со
сталями) ТИХ, повышенный объем эвтектики и охруп-
чивающих примесей в ванне, степень ее окисленности,
содержание газов. Эти факторы в сочетании с увеличен-
ным объемом расплавленной сварочной ванны, значи-
тельной литейной усадкой и формирующимся крупным
зерном при сварочном нагреве определяют высокие тем-
пы роста деформаций кристаллизующейся ванны и ис-
черпание пластичности металла, что и ускоряет возник-
новение горячих трещин. Наибольшую склонность к
горячим трещинам при сварке проявляют сплавы сис-
тем Al-Cu, Al-Zn, Al-Si, менее склонны к ним сплавы
систем Al-Mg, AI-Mn.
Практически склонность к горячим трешинам оце-
нивается по технологическим пробам, из которых наи-
более жесткой является кольцевая проба. Критерием
склонности к горячим трещинам по этой пробе являет-
ся суммарная длина образовавшихся трещин при свар-
ке сплавов различного легирования на различающихся
режимах сварки, либо при сварке заданного сплава раз-
личными электродными материалами. На основе таких
проб определяются способы и материалы получения
работоспособных соединений.
Другой важной проблемой свариваемости являются
наличие на свариваемых кромках и образование в процес-
се сварки тугоплавких и хрупких оксидов или, точ-
нее, МеО • Aip3, способных адсорбировать газы и влагу
(А12Оз-ЗН2О). Последняя удерживается оксидной плен-
238
Глава 18. Алюминий и его сплавы
кой вплоть до плавления металла, способствуя впослед-
ствии образованию пор. Оксид Д12О3 отличается высо-
кой химической прочностью против диссоциации и ре-
акциями с другими металлами в твердом состоянии.
Восстановление алюминия из его оксида в условиях
сварки практически исключено. Оксид покрывает сва-
рочную ванну и, не расплавляясь, удерживается повер-
хностным натяжением на ее поверхности. Обладая вы-
соким электрическим сопротивлением (0а1,о3= ЫО7
Ом см), оксид резко снижает стабильность дугового раз-
ряда, приводя к блужданию дуги, ухудшению формиро-
вания поверхности шва, образованию несплавлений и
шлаковых включений.
В алюминиевых сплавах, как правило, содержится не
более 8-9% легирующих элементов (Си, Mg, Мп, Si, Zn
и др.) и 0,2—1,7% примесей. Они несколько изменяют
указанный характер, состав и свойства оксидов. Уста-
новлено, что при Т = 700—750 °C окисление Си, Мп и Si
маловероятно, а окисление Be, Mg, Са — значительно.
Это приводит к тому, что, например, в сплавах системы
Al-Mg оксидная пленка представляет собой шпинель
А1эО3 MgO или оксид MgO (если магния в сплаве бо-
лее 1,5%). Такая пленка слабо защищает основу от даль-
нейшего окисления, так как она пористая. Имея перис-
го-хлопьевидное строение и повышенную плотность, она
гонет в сварочной ванне и зашлаковывает корень шва.
11сзначительная добавка бериллия в алюминиевый сплав
улучшает в десятки раз защитные свойства оксида.
Для стабилизации дугового разряда и уменьшения
оксидных включений в швах необходимо удалять окис-
ную пленку со свариваемых кромок, присадочной про-
волоки и принимать меры к защите ванны от взаимодей-
11 вия с кислородом (поддув Аг в корень шва, насадки к
горелкам, малые зазоры).
239
Материалы и их поведение при сварке
Водород в отличие о г других газов (О2, N2) обладает
несколько повышенной способностью растворяться в
расплавленной алюминиевой ванне и при ее кристалли-
зации в условиях сварки (высокие скорости охлажде-
ния), нс успевая выйти из шва, образует поры в швах
(48% всех дефектов швов). Основным источником во-
дорода в сварочной ванне является реакция взаимодей-
ствия влаги, содержащейся в составе окисной пленки,
с металлом:
2А1 + ЗН2О = А12О3+ 6НЛ (18.1)
Снижение концентрации растворенного водорода до
[Н] < 0,7 см3/100 гм практически устраняет пористость.
Это достигается соответствующей подготовкой поверх-
ности свариваемых кромок и проволоки (механическая
очистка, промывка заготовок горячей водой, спиртом,
химическое травление, полирование проволоки и т. п ),
надежной зашитой зоны сварки от атмосферы, исполь-
зованием повышенных диаметров присадочной прово-
локи, снижением доли основного металла в шве, соблю-
дением нормативных сроков хранения материалов перед
сваркой, регулированием режимов сварки и т. д.
Повышенное коробление сварных соединений, объясняю-
щееся большой величиной коэффициента линейного рас-
ширения («д! = 0,24 • I0 4 град'1 и астал1) = 0,12 • 10-4 град-1)
и низким модулем упругости, также усложняет технологию
сварки и требует выполнения ряда технологических мер по
устранению или существенному снижению уровня короб-
ления (жесткое закрепление свариваемых кромок, предва-
рительное их формирование, усиление теплоотвода в ос-
настку, утолщение кромок и т. д.).
Необходимость использования мощных и концент-
рированных источников теплоты для сварки алюмини-
евых сплавов (из-за высокой теплопроводности) приво-
дит, в частности, к значительным токовым нагрузкам на
240
Глава 18. Алюминий и его сплавы
вольфрамовые электроды, что является причиной появ-
ления в швах вольфрамовых включений. Использование
вольфрамовых электродов, легированных окислами лан-
тана и иттрия (ЭВЛ-10, ЭВИ-2), обладающих повышен-
ной термостойкостью, существенно их уменьшает.
Применение в отдельных случаях подогрева кромок
до Т = 150—200 °C является особенностью сварки, ко-
торую необходимо учитывать при сварке высокопроч-
ных термически упрочняемых алюминиевых сплавов.
Отсутствие цветов побежалости затрудняет визуаль-
ное наблюдение за процессом нагрева и расплавления
металла и приводит к прожогам.
18.4. Технология сварки
18.4.1. Подготовка металла под сварку
и типы соединений
Перед сваркой с кромок тщательно удаляют техноло-
гическую смазку, которой покрыты полуфабрикаты.
Поверхность металла на ширине 100—150 мм в обе сто-
роны от свариваемой кромки обезжиривается ацетоном,
\айтспиритом. растворителями PC—1, PC—2. Обезжири-
вание можно производить также в водном растворе со-
става: 40-50 г/л Na3PO4- 12Н2О, 40—50г/л соды СаСО3,
25—30 г/л жидкого стекла Na2SiO3 в течение 4—5 мин
при Т = 70 °C.
Поверхностную оксидную пленку, находящуюся под
и хнологической смазкой, удаляют на ширине 25—30 мм
от стыка металлическими щетками или шабером. Пос-
ле зачистки кромки вновь обезжиривают.
При массовом производстве изделий для удаления
оксидной пленки с поверхности детали перед сваркой
Материалы и их поведение при сварке
подвергают травлению в щелочных ваннах по следую-
щей технологии:
1) обезжиривание в растворителе;
2) травление в ванне из водного раствора 45—50 г/л
ЫаОН в течение 1—2 мин при Т = 60-80 °C;
3) промывка в проточной горячей воде (Т = 60—80 °C),
а затем в холодной воде (Т = 20 °C);
4) осветление (удаление остатков NaOH) в 30% ра-
створе HNO3 в течение 2 мин при Т = 60 °C;
5) промывка в холодной проточной воде, а затем в
горячей (Т = 60—80 °C);
6) сушка горячим воздухом.
Электродные проволоки из алюминиевых сплавов
травятся в ваннах такого же состава, что и заготовки.
После травления проволоку рекомендуется подвергать
электрохимическому полированию (травлению) в сме-
си фосфорной Н3РО4 и серной H2SO4 кислоты с добав-
кой окиси хрома Сг2О3. Эта операция снижает порис-
тость и окисные включения в швах. Такая обработка
заготовок и проволоки обеспечивает минимальную тол-
щину окисной пленки на их поверхностях, сохраняющу-
юся в течение 3—4 дней.
Сварку рекомендуется производить в помещениях, чи-
стота которых гарантируется их отделкой и регулярной
уборкой. Все подготовительные и сварочные работы вы-
полняются в чистой спецодежде и сухих перчатках. Тем-
пература в помещении должна быть не ниже Т = 18—20 ’С.
Основные типы соединений, применяемые при свар-
ке, регламентированы ГОСТ 14806-80. Стыковые со-
единения предпочтительны и применимы при всех спо-
собах сварки. Для облегчения удаления оксидных
включений из корня шва используют формирующие
подкладки со специальной формой канавки или раздел
ку кромок с обратной стороны (рис. 18.4).
242
Глава 18. Алюминий и его сплавы
a
Рис. 18.4. Конструкция подкладки (а) и разделка обратной
стороны свариваемой кромки (6)
Сварка металла толщиной S = 3—6 мм производится
без разделки кромок за 1—2 прохода. При толщине S >
> 6,0 мм для уменьшения объема наплавки рекоменду-
ется V-образная разделка кромок с углом разделки, выби-
раемым согласно ГОСТ 14806—80. Разделку рекомендуется
цшолнять валиками малого сечения. При аргонодуговой
i варке W-электродом на свариваемые кромки часто на-
носятся фторидные флюсы, разведенные на спирте, что
способствует уменьшению числа оксидных включений,
с шбилизирует сварочную дугу и повышает ее проплав-
ляющую способность.
18.4.2. Способы и особенности сварки
Газовая сварка применяется для неответственных
юпколистовых соединений или ремонте отливок. Со-
< uib газовой смеси — нормальный с незначительным
и |бытком ацетилена. Мощность пламени выбирается в
ывисимости от толщины метал за. Для защиты от окис-
ления металла газами пламени и удаления окислов с
кромок при сварке применяют флюсы. Наиболее рас-
пространенным является флюс АФ—4А. вводимый или
е присадочным прутком или наносимый в виде пасты на
кромки перед сваркой. Состав флюса: 28% NaCl, 50%
КС1, 14% LiCl, 8% NaF. После сварки остатки флюса
о*
243
Материалы и их поведение при свархе
удаляют промывкой в горячей воде. В качестве приса-
дочного металла применяют проволоку или прутки из
алюминия или его сплавов. Диаметр проволоки выби-
рают в зависимости от толщины свариваемых элемен-
тов (табл. J8.2) [16].
Таблица 18.2
Выбор диаметра присадочной проволоки в зависимости
от толщины свариваемых кромок
S, мм 1,5 1,5-3,0 3.0—5.0 5,0-7,0 7,0-10,0
dnp, мм 1,5-2,0 2,0-3,0 3,0-4,0 4,0-4,5 4,5-5,5
При сварке листов S > 8—10 мм или при заварке де-
фектов литья рекомендуется подогрев изделия до Т =
250—300 °C. Механические свойства сварных соедине-
ний при газовой сварке всегда ниже свойств основного
металла [освхосд. = (0,6-0,65)cfbo.J.
Дуговая сварка угольным электродом применяется,
в основном, для соединения алюминиевых электричес-
ких шин и заварки дефектов литья. При толщине метал-
ла S < 2,0—2,5 мм сварку ведут без разделки кромок,
а при больших толщинах — с разделкой и с гарантиро-
ванным зазором. Сварка ведется постоянным током
прямой полярности с использованием алюминиевых
или угольных формирующих подкладок. Диаметры
угольных электродов выбирают в зависимости от толщи-
ны и для S = 4—15 мм они составляют d3 = 8-15 мм.
В качестве присадочных материалов используются алю-
миниевые прутки диаметром 4-8 мм. При сварке ис-
пользуют флюсы, аналогичные по составу флюсам для
газовой сварки. Механические свойства соединений
близки к основному металлу.
Ручная дуговая сварка покрытыми электродами при-
меняется для малонагруженных конструкций из тех-
244
Глава 18. Алюминий и его сплавы
нического алюминия (АДО, АД1), сплавов АМц, АМг и
силуминов (АЛ2, АЛ4). Сварка производится постоян-
ным током обратной полярности, как правило, с подо-
гревом до Т = 250-350 °C с целью получения требуемо-
ю проплавления при умеренных токах сварки.
Основным типом соединения является стыковое.
Соединения тавровые и внахлестку, как правило, не ре-
комендуется применять из-за большого перегрева ме-
талла. роста зерна и коробления соединения. При необ-
ходимости их сварки катет шва должен быть не менее
5 мм. При толщине S = 4-20 мм разделки кромок не
требуется, но зазоры не должны быть более 0,5—1,0 мм.
Сварка производится на стальных подкладках, а швы
выполняются двусторонними. Для больших толщин
угол V-образной разделки составляет а — 70—90’, а за-
зоры в стыке — 1,5—2,0 мм.
Электроды перед сваркой прокаливаются при Т =
150—200 "С. Величину сварочного тока можно выбирать
из соотношения 1св = (45—60)du. Прихватку кромок, как
правило, производят с подогревом до Т = 200—250 °C.
Прихватки (или нижележащие слои) перед сваркой тща-
тельно зачищаются от шлака и окислов.
Металлическими стержнями электродов для сварки
алюминия являются проволоки марок СвА1, СвА5,
СвАК5 (ГОСТ 7871-75), а для алюминиевых сплавов —
проволоки СвАМц, СвАМг!, СвАМгЗ, СвАМг5,
СвАМгб и др.
В качестве электродных покрытий, основное назначение
которых состоит в разрыхлении и возгонке окисной плен-
ки, используются растворы хлористых и фтористых солей
щелочноземельных металлов (NaCl, KCl,LiCI NaF) и кри-
олит. Стандартом для сварки алюминия предусмотрено
лишь 2 марки электродов (ОЗА—1, ОЗА—2.). В табл. 18.3
представлены ориентировочные режимы ручной дуговой
снарки алюминия и его сплавов.
245
Материалы и их поведение при сварке
Таблица 18.3
Ориентировочные режимы ручной дуговой сварки
Толщина, мм Диаметр электрода, мм Сварочный ток, А Толищна, мм Диаметр электрода, мм Сварочный ток, А
до 3.0 3,0 80-130 8,0-10,0 6,0 300-350
3,0—5,0 4,0 150-180 8,0-15,0 8,0 350-400
5,0—8,0 5,0 250-320 15.0 10,0 430-450
Механизированная сварка по слою флюса, обеспечива-
ющая глубокое проплавление, используется при изго-
товлении цистерн и емкостей толщиной S = 10-30 мм.
В качестве флюсов используют смеси криолита Na3AlF6
с галогенидами NaF и хлоридами NaCl, КС1 Для техни-
ческого алюминия наиболее применим флюс АН-А,
а для сплавов системы Al-Mg — АН—4А. Флюсы обла-
дают повышенной электропроводностью, шунтируют
дугу и нарушают стабильное ее горение. Поэтому в про-
цессе сварки строго контролируются высота и ширина
насыпаемого перед дугой флюса (h(tn =10-16 мм). Свар-
ка ведется постоянным током обратной полярности с
использованием стальных формирующих подкладок.
Режимы сварки приведены в табл. 18 4 Подо! рева кро-
мок не требуется.
Особенностью процесса, приводящего к непроварам,
несплавлениям кромок и порам, являются поперечные
колебания конца электродной проволоки (из-за ее ма-
лой жесткости) относительно стыка. В этом случае свар-
ка сдвоенным (расщепленным) электродом дает лучшие
результаты за счет увеличения размеров ванны и време-
ни ее пребывания в жидком состоянии. В последние
годы разработаны флюсы, при использовании которых
можно сваривать алюминиевые сплавы под слоем флю-
са (ЖА -64, ЖА—63А). При этом требования к точнос-
ти сборки весьма высоки. Сварку ведут на флюсовой
246
Таблица 18.4
Ориентировочные режимы сварки по флюсу алюминия и его сплавов и механические
свойства соединений
Марка S, мм Л,, мм Марка флюса мм А ц. в м/ч ав, МПа Угол загиба а, град
основного мет & ста электрод, металла
АМц АМц 10 1,6-1,6 АН-А1 8-10 220-250 34-35 20-22 120-130 150-180
АМгб АМгб 16 2,5-2,6 МАТИ-10 12-14 350-370 35-36 16-17 270-300 45—47
АДОО АДО 14 3,0 ЖА-64 550-600 13-14 Сварка расщ. электр.
Глава 18. Алюминий и его сплавы
Материалы и их поведение при сварке
подушке постоянным током обратной полярности.
В этом случае снижается опасность появления прожо-
гов и снижается пористость швов, улучшаются условия
труда сварщиков.
Для электрошлаковой сварки используются указан-
ные выше проволоки и флюсы марок АН-А301, АН-
А302.
Сварка в защитных (инертных) газах и их смесях ис-
пользуется для ответственных соединений. В качестве
защитного газа используют аргон первого и высшего
сорта (ГОСТ 10157—73) или смеси аргона и гелия. Вид
сварки — неплавящимся или плавящимся электродом —
выбирается в зависимости от толщины металла, конст-
рукции изделия и необходимой производительности.
Преимуществом сварки неплавящимся вольфрамовым
электродом являются высокая устойчивость горения дуги
и интенсивное разрушение окисной пленки (при свар-
ке на переменном токе) за счет катодного распыления.
Этот вид сварки целесообразен для металла S < 12 мм
при использовании W-электродов диаметром 2—6 мм.
При этом для толщин S < 3,0 мм сварка ведется без раз-
делки кромок за один проход на стальной подкладке.
При S - 4—6 мм сварку выполняют с двух сторон, а при
S > 6 мм выполняют V-образную или Х-образную раз-
делку кромок. Величина сварочного тока выбирается в
зависимости от диаметра вольфрамового электрода, ис-
ходя из соотношения lcu = (50-55)d3. Скорость сварки
определяется необходимостью получения требуемой
стандартом формы шва и обычно не превышает значе-
ний VCB = 8—15 м/ч.
Надежность зашиты ванны зависит от расхода газа,
диаметра и формы сопла горелки, расстояния сопла от
изделия, условий доступа горелки к месту сварки, нали-
чия сквозняков на участке.
248
Глава 18. Алюминий и его сплавы
Техника сварки характеризуется возвратно-поступа-
тельным движением присадочной проволоки, отсут-
ствием поперечных колебаний присадочной проволоки,
короткой длиной дуги и малым вылетом W-электрода.
Для сварки весьма малых толщин (S < 1,0—2,0 мм)
успешно используют процесс импульсно-дуговой свар-
ки переменным током, а для сварки больших толшин
(до 20 мм) можно применить способ сварки погружен-
ной дугой или использовать трехфазную дуговую свар-
ку вольфрамовым электродом. Последняя обеспечивает
более тонкую регулировку тепловложения и получение
требуемых параметров и качества шва.
Для механизированной сварки используют токи
большие, чем при ручной. Сварку выполняют за один
или несколько проходов одно- или двусторонними шва-
ми. Особенностью процесса является то, что присадоч-
ная проволока подается механизмом подачи таким об-
разом, чтобы ее конец опирался на край сварочной
ванны. Это позволяет уменьшить количество оксидной
пленки в ванне. Однако это требует весьма точной сбор-
ки под сварку, что удорожает сварку. Использование
повышенных токов предусматривает применение W-
элекгродов, легированных окислами иттрия или ланта-
на (ЭВЛ—10, ЭВИ—2), что существенно повышает срок
их службы. Для сварки термически упрочняемых спла-
вов с целью уменьшения ширины зоны разупрочнения
используют сварку на асимметричном переменном токе
о г специального источника питания. Это позволяет уве-
личить проплавление при прямой полярности и улуч-
шить катодную обработку ванны в период обратной
полярности.
Ориентировочные режимы ручной дуговой и автома-
тической сварки неплавящимся электродом стыковых
соединений приведены в табл. 18.5.
249
Материалы и их поведение при сварке
Таблица 18.5
Ориентировочные режимы сварки алюминиевых
сплавов VV-электродом
Тип соединения Толщина, мм d„, мм dnp, мм 1сы, А Р„ л/мин м/ч
Ручнаясварка
Встык без присадки 2,0 2,0 — 80-100 6-7
Встык с присадкой 2,0 2,0 1-2 90-110 7-8 -
Встык с присадкой 4,0 3-4 2-3 120-180 8-10 -
Автоматическая сварка
Встык без присадки 2,0 2-3 - 80-120 8-10 20-40
Встык с присадкой 2,0 2-3 1-2 110-140 10-12 18-26
4,0 4,0 2,0 210-230 12-15 16-20
Примечание. Напряжение падуге Пд = 12—14 В.
Сварку плавящимся электродом в защитном газе ис-
пользуют при толщине металла S > 3,0 мм. При этом при-
меняется постоянный ток обратной полярности, что
обеспечивает хорошее перемешивание ванны, разруше-
ние крупных оксидных включений и удовлетворительное
формирование швов. Основным преимуществом спосо-
ба является высокая производительность. Сварку можно
вести как автоматическую, так и полуавтоматическую.
Режимы автоматической сварки приведены в табл. 18.6.
При сварке в горизонтальном или потолочном поло-
жениях сварочный ток уменьшается на 10—15%.
Использование импульсно-дуговой сварки плавя-
щимся электродом увеличивает производительность
процесса, расширяет диапазон токов с направленным
мелкокапельным переносом металла, улучшает стабиль-
ность дугового разряда и формирование швов, снижает
250
Глава 18. Алюминий и его сплавы
Таблица 18.6
Ориентировочные режимы сварки алюминиевых ставов
плавящимся электродом
Толщина мета дю, мм Вил подготовки кромок 1д,А ид,в V„, м/ч мм л/мин Число слоев
8 V-об разная разде чка а =60’ 260—290 20-25 20-30 2,0-2,5 13-15 2
10 280-320 20-25 2-3
15 200-375 24-26 18-22 2-3
20 Хили U- образная 295-390 26—30 15-21 4
уровень деформаций. Режимы сварки детально пред-
ставлены в литературе [16].
Основное преимущество плазменной и микроплаз-
менной способов сварки состоит в высоких скоростях
и стабильности процесса, сужении ширины зоны терми-
ческого влияния, существенном увеличении глубины
проплавления и снижении остаточных деформаций.
Однако оба указанных способа требуют повышенной
точности сборки под сварку (зазоры, смещения кро-
мок), специальных источников питания и часто особой
конструкции горелок (сопел).
При сварке термически упрочняемых высокопроч-
ных алюминиевых сплавов (Д16, АДЗЗ, АК6, В93 и т. п.)
основными проблемами свариваемости являются обра-
зование трещин в шве и околошовной зоне и разупрочнение
металла в зоне термического влияния. Эти обстоятельства
обязывают более тщательно подбирать сварочные мате-
риалы (они часто отличаются по легированию от основ-
ного металла), строго контролировать режимы сварки,
выбирать рациональный порядок наложения швов,
а иногда использовать предварительный и сопутствую-
щий подогрев. Коэффициент прочности сварных соеди-
251
Материалы и их поведение при сварке
нений составляет 0,5—0,65, в то время как при сварке
термически неупрочняемых алюминиевых сплавов типа
АМц, АМг он может достигать 0,9—1,0. Повысить проч-
ность соединения из упрочняемых сплавов можно пос-
лссварочной термической обработкой — закалкой с по-
следующим старением или только старением.
В последние годы расширяется использование элек-
тронно-лучевой сварки алюминиевых (особенно термо-
упрочняемых) сплавов. Процесс сварки характеризует-
ся более высоким к.п.д, разрушением и удалением
оксидной пленки, обезводораживанием ванны и сниже-
нием пористости, меньшим временем пребывания в
твердо-жидком состоянии и уменьшением кристаллиза-
ционных трещин, снижением степени разупрочнения
высокопрочных сплавов. При этом сварка стыковых
соединений S > 20 мм выполняется за один проход,
а механические свойства соединений близки к основно-
му металлу. Однако экономически этот способ сварки не
всегда оправдан.
Более подробную информацию об особенностях
сварки алюминия и его сплавов можно получить в ли-
тературе [5, 16].
Вопросы для самопроверки
1. В чем заключаются преимущества алюминиевых
сплавов как конструкционных материалов в сравне-
нии со ста тми?
2. Каким способом при производстве алюминия его очи-
щают от примесей Fe, Si, Al£)3?
3. В чем преимущества и недостатки образующегося
оксида на поверхности алюминия ?
252
Глава 18. Алюминий и его сплавы
4. Чем по свойствам отличаются деформируемые алю-
миниевые сплавы от литейных?
5. Назовите основные проблемы свариваемости алюми-
ниевых сплавов.
6. В чем преимущество использования концентрирован-
ных источников тепла при сварке алюминия 9
7. Назовите основные операции пидгитовки поверхно-
сти алюминиевых сплавов к сварке.
8. Назовите марки проволок, используемые для сварки
алюминиевых сплавов в среде инертных защитных
газов.
9. Назовите основные дефекты сварных швов и соеди-
нений из алюминиевых спаавов.
10. В чем сущность процесса сварки алюминиевых спла-
вов по флюсу?
11. Укажите основные причины пористости сварных
швов из алюминиевых сплавов.
—— Глава 19 .
МАГНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ
19.1. Общая характеристика сплавов
Чистый магний относится к самым легким металли-
ческим материалам (у = 1,54—1,6 г/см5), обладающим
относительно невысокой прочностью (ов= 80—110 МПа),
малой пластичностью (5 = 8—10%) и довольно низкой
температурой плавления (Т|1Л = 680 °C). В земной коре
он содержится в виде магнезита MgCO} и доломита
MgCO3- СаСО3, из которых и производится [17].
В качестве конструкционных материалов, обладаю-
щих высокой удельной прочностью (Ов/у), используют-
ся магниевые сплавы, выпускаемые в виде профилей
или листов по ГОСТ 14957—75, обладающие повышен-
ными по сравнению с чистым магнием механическими
свойствами (ов < 400 МПа) и химической стойкостью в
бензине, феноле, водных растворах карбонатов, хорошо
обрабатывающиеся резанием и удовлетворительно сва-
ривающиеся. Маркируют сплавы буквой М с последу-
ющей буквой А для обрабатываемых сплавов и буквой
Л для литейных сплавов. Сварные конструкции из маг-
ниевых сплавов применяются в авиационной, автомо-
бильной, электротехнической и других отраслях про-
мышленности.
В качестве основных легирующих элементов в магни-
евых сплавах используются Al, Zn, Zr, Се (как упроч-
254
Глава 19. Магний и его сплавы
нитети) и Мп, Zr, Nd (как повышающие коррозионную
стойкость и жаропрочность). Магниевые, каки алюми-
ниевые, сплавы разделяются на деформируемые и ли-
тейные, а по чувствительности к термообработке — на
термически упрочняемые и неупрочняемые. Деформи-
руемые магниевые сплавы, применяемые для сварных
конструкций, можно разделить на три группы:
I. Сплавы системы Mg-Mn (MAI, МА8), термичес-
ки нс упрочняемые и относительно хорошо свари-
вающиеся, пониженной прочности (о8 = 200—
250 МПа) и высокой коррозионной стойкости.
2. Сплавы системы Mg-Al-Zn (МА2, МА2—1), термичес-
ки не упрочняемые и удовлетворительно свариваю-
щиеся, средней прочности (о8 = 240-280 МПа) и по-
вышенной теплостойкости (за счет добавок церия).
3. Сплавы системы Mg-Zn-Zr (МА5, МА14, МАИ,
МА13, ВМД1) — термически упрочняемые (старе-
ние при Т = 175—200 °C или закалка с Т = 500—
570 С + старение), ограниченно сваривающиеся,
повышенной прочности (ов = 280—350 МПа) и
теплостойкости (Траб < 400 °C).
К литейным относятся сплавы систем Mg-Mn (МЛ2),
Mg Al Zn (МЛЗ, МЛ4, МЛ6), Mg-Nd-Zr (МЛ 10) Их
чаще применяют при изготовлении литых изделий (бло-
ки и корпуса двигателей, фланцы и т. п.)
19.2. Свариваемость и особенности
технологии
19.2.1. Основные проблемы свариваемости
Магний и его сплавы обладают высоким сродством к
кислороду, образуя оксид MgO • пН2О, обладающий боль-
шой в сравнении с Mg плотностью (у = 3,2 г/см’) и вы-
255
Материалы и их поведение при сварке
сокой температурой плавления (Тпп = 2800 °C). Однако
этот оксид не защищает сплав ог дальнейшего окисле-
ния (МеО/Ме < 1) из-за его пористости, и поэтому для
предотвращения процесса окисления при хранении и
транспортировке магниевых полуфабрикатов их повер-
хности покрывают технологической смазкой.
При сварке оксидная пленка не расплавляется и по-
крывает поверхность сварочной ванны, что существен-
но нарушает устойчивость дуги, препятшвует сплавле-
нию жидкого металла с кромками и присадочным
материалом, загрязняет шов неметаллическими включе-
ниями, снижая его механические свойства, способствует
насыщению шва водородом и т. д.
Эти особенности сплавов осложняют технологичес-
кую свариваемость, требуя применения мер для разру-
шения и удаления оксида магния, а также усложняя
приемы защиты ванны от атмосферы воздуха в процес-
се сварки и обеспечения стойкости против окисления
изготовленной сварной конструкции [17].
В жидком металле сварочной ванны кроме О2, как
правило, присутствуют растворенные i азы СО, СО2, N,
Н2 и пары воды. Взаимодействие магния и его сплавов
с этими газами приводи т к образованию оксидов, кар-
бидов, нитридов, гидридов, что дополнительно услож-
няет их свариваемость. Например, выделение молеку-
лярного водорода при диссоциации окисной пленки с
адсорбированными на ней молекулами воды является
основной причиной пористости швов. Как правило,
поры располагаются у линии сплавления.
При кристаллизации магниевые сплавы склонны к
образованию крупнокристаллической структуры, что
объясняется низкими значениями теплоты плавления и
удельной теплоемкости сплавов, приводящими к повы-
шению концентрации нагрева при сварке Модифици-
рование сплавов цирконием и церием способствует
256
Глава 19. Магнии и его сплавы
измельчению зерна, снижению склонности ктрещино-
образованию и повышению пластичности металла шва.
Широкий интервал кристаллизации магниевых спла-
вов в условиях наличия интерметадлидных прослоек
типа MgAI, MgNi, MgCu, а также жидких легкоплавких
эвтектик между формирующимися кристаллитами и
высокий темп нарастания упругопластических деформа-
ций в шве определяет повышенную их склонность к го-
рячим (кристаллизационным) трещинам. Введение мо-
дификаторов (Zr, Се) через сварочные проволоки
обеспечивает меньшую склонность к образованию кри-
сталлизационных трешин.
Магний обладает высоким температурным коэффи-
циентом линейного расширения (а = 29 ♦ К)6 град'1),
что приводит к повышенному короблению свариваемых
кромок в процессе нагрева и усложняет ведение процес-
са сварки.
19.2.2. Подготовка деталей под сварку и типы
соединений
Подготовка под сварку деталей заключается в удалении
с поверхности заготовок жировых загрязнений, окисных
пленок и профилировании свариваемых кромок.
При расконсервации полуфабрикатов (листов, про-
филей) защитная техническая смазка удаляется с повер-
хности скребками и щетками с последующей промыв-
кой, обезжириванием поверхности растворителями
(ацетон технический, растворитель ПС—1, бензин, уайт-
спирит) и травлением. Технологические приемы и пос-
ледовательность выполнения указанных операций при
подготовке деталей к сварке такие же, как и для алюми-
ниевых сплавов. Отличия состоят в составе используе-
мых для магниевых сплавов реактивов для травления
257
Материалы и их поведение при сварке
поверхности. Один из них, например, имеет состав:
150-200 г/л Сг2О3, 25-35 г/л KNaO3, 2-3 г/л CaF2. При-
садочный металл (проволока, прутки, «лапша») обраба
тывается в специальных ваннах в таком же порядке и
теми же химикатами.
Непосредственно перед сваркой кромки деталей ре-
комендуется зачищать шабером для уменьшения толщи-
ны оксидной пленки. На подготовленных кромках не
должно быть заусенцев. Срок хранения подготовленных
кромок и сварочных материалов не более 48 часов до
начала процесса сварки
Типы соединений для сварки магниевых сплавов и
формы разделки кромок для соответствующих толщин
аналогичны алюминиевым сплавам.
19.2.3. Технологические рекомендации
по сварке
Основной рекомендацией по сварке плавлением маг-
ниевых сплавов является обеспечение надежной защи-
ты сварочной ванны и близлежащих ко шву участков
основного металла от взаимодействия с газами окружа-
ющей атмосферы. Практически используется одно- и
трехфазная аргонодуговая ручная и механизированная
сварка в инертных газах неплавящимся вольфрамовым
электродом на переменном токе и реже сварка плавя-
щимся электродом на постоянном токе обратной поляр -
ности. Это значительно снижает возможность окисления
жидкой ванны и позволяет использовать эффект катод-
ного распыления для очищения свариваемых кромок от
образующейся в процессе нагрева оксидной пленки.
Вследствие повышенной жидкотекучести ванны и
практически полной потери прочности металла при
258
Глава 19. Магний и его сплавы
температурах твердо-жидкого состояния для формиро-
вания обратной стороны шва обязательно применение
подкладок (медных или из нержавеющих сплавов) со
специальными формами канавок в них, способствую-
щих удалению оксидных пленок из корня шва (см. рис.
18.4). Положительное влияние на качество формирова-
ния поверхности и размеров шва, а также на снижение
коробления кромок при сварке оказывает импульсно-
дуговая сварка вольфрамовым электродом.
Из-за склонности магниевых сплавов к перегревам и
росту зерна (малая теплоемкость, низкая температура
плавления) при сварке плавлением рекомендуется ис-
пользовать пониженные по сравнению с алюминием
юки или повышенные скорости сварки при одинаковых
гоках. Величина сварочного тока ориентировочно выби-
рается из соотношения 1св = (40—50)dw. При толщине
стыкуемых элементов S < 6 мм сварка вольфрамовым
электродом производится без разделки кромок, при уве-
личении свариваемых толщин используется V-образная
разделка кромок. При ручной дуговой сварке в качестве
присадочных материалов используются обычно проволо-
ки или нарезанные полоски металла («лапша»), близкие
по составу к основному металлу, что позволяет получить
удовлетворительные механические свойства (овшв = (0,8—
0,9)овом) сварных соединений. Сварку следует вести
короткой дугой (1д = 2,0—3,0 мм). Ориентировочные ре-
жимы сварки приведены в табл. 19.1.
Импульсно-дуговая сварка плавящимся электродом,
обеспечивая устойчивое управление режимами сварки,
дозированное тепловложение и оптимальную форму
шва, существенно снижает склонность к образованию
трещин и пор. При всех перечисленных способах свар-
ки в качестве защитного газа используется аргон выс-
шего или первого сорта или смесь 75% Аг + 25% Не.
259
Материалы и их поведение при сварке
ipoBOTHM' режимы ckj аг» кеьь*х сплавов
Код-во проходов Ручная сварка W-электродом — — Механизированная сварка W-электродом — —• Механизированная сварка плавящимся электродом
Расход аргона 12-14 16-18 1 12-14 1 16-18 20-22
Присадочная h/w‘,uuA 120 I 100-110 400-450
d„ мм | 2,0 2,5-3,0 о 2,5 2,5-3 0
V», м/ч 24-30 I оо 24-26
PQ ‘—Г 10-12 10-12 с-1 12-14 21-24
«е с 100 105 230-240 165-175 I 200-270 290-300
WW ‘гр 2,0 4,0 о 4,0 о
Тип сое дииення встык без разделки встык без I разделки с V-обр. разделкой
Тодпмна S, мм о 5,0 О О о о
260
Глава 19- Магний и его сплавы
При устранении дефектов в отливках с помощью
сварки необходима предварительная механическая под-
готовка места ремонта (вырубка, засверловка). Сварка
осуществляется при сопутствующем подогреве заготов-
ки до Т = 250—350 °C с использованием присадки, ана-
логичной по составу основному металлу. Более полную
информацию об особенностях сварки магниевых спла-
вов можно получить в литературе [5, 6, 17].
Вопросы для самопроверки
/. Какие свойства магниевых сплавов используются
при проектировании сварных конструкции ?
2. На какие группы по способу производства разделя-
ются магниевые сплавы?
3. Что общего и в чем различие в свойствах оксидов
магния и алюминия?
4. К какому дефекту шва приводит высокое значение
коэффициента линейного расширения магния ?
5. Какие способы сварки используются для соединения
магниевых сплавов?
6. Почему для сварки магния используются токи мень-
шие, чем для соответствующих толщин алюминия ?
7. Чем опасно наличие на свариваемых кромках заусенец ?
8. Как маркируются магниевые сплавы?
..-------- Глава 20 ........- -
ТИТАН И ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ
20.1. Производство и свойства титана
и его сплавов
Отличительными особенностями титана и его спла-
вов как конструкционных материалов являются их вы-
сокая удельная прочность (о,/у = 1660) при нормальных,
повышенных (Т^ = 500 -600 °C) и криогенных темпе-
ратурах (—180 °C) и удовлетворительная коррозионная
стойкость во многих агрессивных средах, в том числе и
в атмосферных условиях. Эти качества определили ши-
рокое применение титана и его сплавов в судо- и авиастро-
ении, энергетическом, химическом и пищевом машино-
строении, в строительстве и производстве медицинского
оборудования и т. п.
Производство титана основано на его извлечении из
руд: рутила 1102, ильменита TiO2 - FcO и перовскита СаО
• TiO2 [ 1 ]. Руды обогащаются (до содержания 80% TiO2)
и затем обрабатываются хлором с получением четырех
хлористого титана TiCl4. После такой обработки произ-
водится восстановление титана магнием по реакции:
Т1С14 + 2 Mg = Ti + 2 MgCl2. (20.1)
В результате такой переработки руды получают пори-
стую титановую губку (ТГ-90, ТГ—100, ТГ-110), кото-
рая после дробления, прессования и спекания в брике-
262
Глава 20. Титан и титановые сплавы
ты переплавляется в технический титан. Свойства тако-
го титана существенно зависят от степени очистки губ-
ки от примесей (Fe, Si, С, N2, Н2).
Получение титана и его сплавов является техничес-
ки сложным, весьма энергоемким и дорогостоящим
процессом, что объясняется как относительно высокой
температурой плавления титана (Ттш = 1672-1725 °C),
так и высокой его химической активностью по отноше-
нию к газам (кислороду, водороду, азоту) и углероду.
Уровень механических свойств и структура титановых
сплавов в большой степени зависят от содержания ле-
гирующих и примесных элементов, образующих с тита-
ном как твердые растворы внедрения, так и промежу-
точные фазы: гидриды, оксиды, нитриды и карбиды.
Например, с повышением содержания кислорода и азо-
та возрастают твердость и прочность титана, снижают-
ся его пластичность, коррозионная стойкость, ухудша-
ются свариваемость и штампуемость. Особо вредной
примесью является водород, образующий при кристал-
лизации титановых сплавов по границам зерен тонкие
хрупкие пластинки гидридной фазы (TiH). Поэтому до-
пустимое содержание водорода находится в пределах
0,006—0,012%. Согласно ГОСТ 19807—74, технический
титан маркируется в зависимости от содержания приме-
сей. В табл. 20.1 и 20.2 приведены химический состав и
механические свойства технического титана. Холодная
деформация полуфабрикатов (наклеп) улучшает проч-
ностные свойства технического титана. Для снятия на-
клепа (когда это необходимо) используют отжиг (Т =
= 650-750 СС).
При нагревании титан активно поглощает газы: во-
дород — начиная с 50—70 °C, кислород — с 400—500 °C,
азот, окись углерода — с 600—700 °C. Эта особенность
требует применения при его технологической обработ-
ке (в том числе при сварке) инертных защитных газов
263
Материалы и их поведение при сварке
Таблица 20.1
Химический состав технического ти гана
Марка Примеси, %, не более
Сплава Fe Si С О: N2 н2 Прочие
ВТ1 -00 0,12 0,08 0,05 0,10 0.04 0,008 0,1
ВТ1-0 0.18 0,10 0,07 0,12 0.04 0,010 0,3
Таблица 20.2
Химический состав технического титана
Марка сплава т,ес Механические свойства
о,,, МПа q,2. М Па 8. % KCU, Дж/см
ВТ 1-00 20 300-450 250-380 30 120-150
200 250 — 30 —
ВТ1 0 20 400-550 300-420 30 100-200
200 300 — 30 —
или вакуума. Технический титан хорошо обрабатывает-
ся давлением при нормальной и повышенной темпера-
турах. Из него изготовляют листы, трубы, проволоки,
поковки. Однако он очень вязок, плохо обрабатывает-
ся резанием и обладает низкими антифрикционными
свойствами. Технический титан марки ВТ 1—00 из-за
недостаточной прочности ограниченно применяется в
сварных конструкциях.
Легированные титановые сплавы, в отличие от тех-
нического титана, обладают более высокой прочностью
(оь — 300-1500 МПа), жаропрочностью, удовлетворитель-
ной пластичностью (d = 10—14%), коррозионной стой-
костью, удовлетворитепьно свариваются и штампуются
Указанные свойства определяются уровнем легирования,
264
Глава 20. Титан и титановые сплавы
количеством и составом упрочняющих фаз в сплавах и су-
щественным ограничением содержания примесей.
Как химический элемент титан имеет две аллотропи-
ческие модификации: высокотемпературную p-Ti с
ОПК решеткой и низкотемпературную a-Ti с ГПУ ре-
шеткой. Температура a <-> p-превращения в равновесных
условиях равна Тпр — 882 °C. Так как плотность a-Ti
меньше p-Ti, то процесс р —> а превращения при охлаж-
дении не приводит к упрочнению сплавов из-за фазо-
вого наклепа. Упрочнение достигается регулированием
соотношения а- и p-фаз и количеством образовавших-
ся избыточных фаз при его легировании.
Все легирующие элементы и примеси по влиянию на
полиморфизм и фазовый состав титановых сплавов
(температуру превращения, растворимость легирующих,
стабильность той или иной образовавшейся фазы и т. п.)
разделяются на a-стабилизаторы, р-стабилизаторы и
нейтральные элементы.
а-стабилизапюры (Al, О2, N2) достаточно хорошо ра-
створяются в титане и повышаю! температуру полимор-
фного превращения, расширяя область твердых раство-
ров на основе a-Ti (рис. 20.1, а).
Из a-стабилизаторов практическое значение как ле-
гирующий элемент имеет только алюминий, так как кис-
лород и азот вызывают снижение пластичности и вязко-
сти. Алюминий снижает плотность сплавов и склонность
к водородному охрупчиванию, повышает прочность, жа-
ропрочность, модуль упругости сплавов. Однако при из-
бытке алюминия (> 4/5—6%) образуется интерметаллид
типа TijAl, охрупчивающий титановый сплав.
^-стабилизаторы снижают температуру полиморфно-
го превращения титана, расширяя область твердых ра-
створов на основе p-Ti. Для легированных p-Ti титано-
вых сплавов характерны диаграммы состояния двух
265
Материалы и их поведение при сварке
Содержание nei ирующих элементов
Рис. 20.1. Схемы диаграмм состояния титан — легирующий
элемент: о) Ti-a-стабилизаторы; б) изоморфные Ti-p-
стабилизаторы; е) эвтектоидообразуюшие Ti-p-стабилизаторы
типов. Изоморфные р-стабилизаторы (V, Мо, Та, Nb),
неограниченно растворяющиеся в p-Ti, (рис. 20.1, б),
образуют диаграммы состояния преимущественно с
твердыми растворами, а эвтектоидообразуюшие р-ста-
билизаторы (Сг, Мп, Fe, Ni, W, Си и др ) образуют с ти-
таном диаграммы состояния с эвтектоидным распадом
p-фазы на а- и у-фазы (рис. 20.1, в). Следует отметить,
что в сплавах систем Ti-Mn, Ti-Сг, Ti-Fe при ускоренном
охлаждении эвтектоидного распада может не происхо-
дить, а р—>а превращение идет по штриховой линии (рис.
20 1, в), как и при изоморфных р-стабилизаторах.
266
Глава 20. Титан и титановые сплавы
Большинство р-стабилизаторов повышает прочность,
жаропрочность сплавов, несколько снижая их пластич-
ность. При определенных концентрациях p-фаза может
фиксироваться при нормальной (комнатной) температуре.
Нейтральные элементы (Sn, Zr, Hf) не изменяют тем-
пературу полиморфного превращения, незначительно
повышая прочность сплава, сопротивление ползучести,
длительную прочность.
На основе указанного влияния элементов на стаби-
лизацию тех или иных фаз построены различные сис-
темы легирования титановых сплавов, обеспечивающие
получение требуемых технологических и эксплуатаци-
онных свойств.
По технологии изготовления титановые сплавы под-
разделяются на деформируемые, литейные и порошко-
вые, а по механическим свойствам — на сплавы нор-
мальной прочности, высокой прочности, жаропрочные,
повышенной пластичности.
По способности упрочняться с помощью термообра-
ботки титановые сплавы делятся на термически неуп-
рочняемые и термоупрочняемые, а по структуре в ото-
жженном состоянии они классифицируются на а-,
псевдо-а-, а+р, псевдо-р- и р-сплавы.
Сплавы с a-структурой (ВТ—5) термически не упроч-
няются и характеризуются термической стабильностью
свойств, хорошей свариваемостью, ковкостью и штам-
пуемостью в горячем состоянии.
Псевдо-а-сплавы (а-структура + небольшое количе-
ство р фазы из-за легирования 1-5% Мп, V, Nb, Мо)
обладают хорошей технологической пластичностью,
повышенной жаропрочностью и удовлетворительной
свариваемостью (ОТ4).
Основным недостатком а- и псевдо-а-сплавов явля-
ются их склонность к водородной хрупкости и понижен-
267
Материалы и их поведение при сварке
ная вязкость. Допустимое содержание водорода поэтому
составляет 0,01—0,005%, что делает их дорогостоящими
при изготовлении полуфабрикатов и осложняет техно-
логическую обработку (сварку, штамповку).
Двухфазные а + р-сплавы (ВТ6, ВТ16) характеризу-
ются повышенной прочностью в широком диапазоне
температур, термически стабильны, подвергаются уп-
рочнению термообработкой (закалка+старение), доста-
точно жаропрочны и пластичны. Чем больше 0-фазы в
структуре сплава, тем он прочнее в отожженном состо-
янии и сильнее упрочняется при термообработке. По
структуре после закалки двухфазные а+р-сплавы под-
разделяются на два класса: мартенситный и переходный.
Сплавы мартенситного класса менее легированы и в
равновесном состоянии содержат 5—25% p-фазы. В ре-
зультате закалки образуется структура мартенсита — а'-
фаза (или а" в более легированных сплавах). Сплавы пе-
реходного класса более легированы и содержат 25—50%
P-фазы. Структура таких сплавов весьма чувствительна
к колебанию химического состава и термическому воз-
действию (например, при сварке). Высокая концентра-
ция p-фазы обеспечивает сплавам переходного класса
наибольшую прочность среди а+р-сплавов. Двухфазные
а+р-сплавы удовлетворительно свариваются, обрабаты-
ваются резанием, штампуются. Они менее чувствитель-
ны к водородной хрупкости.
Однофазные р-сплавы, как правило, мало использу-
ются при сварке из-за пониженной пластичности швов
и большого расхода p-стабилизаторов, удорожающих
сплавы. Примерный химический и фазовый состав и
механические свойства некоторых титановых сплавов
приведены в табл. 20.3, а более подробные сведения о
сплавах титана и особенностях их обработки можно
получить в литературе [6, 18].
268
Глава 20. Титан и титановые сплавы
20.2. Основные проблемы свариваемости
Из титановых сплавов для сварных конструкций приме-
няются только те, фазовый состав и физико-механические
свойства которых в результате воздействия термодеформа-
ционного цикла сварки изменяются незначительно в
сравнении с исходным металлом, что обеспечивает тре-
буемую работоспособность соединения сразу после
сварки, либо за счет послесварочной термообработки.
В то же время большая склонность титановых сплавов к
росту зерна при нагреве выше 880 °C (область р-фазы),
низкая теплопроводность, способствующая увеличению
времени пребывания металла шва и околошовной зоны
при температурах выше полиморфного превращения (в
2,5—3 раза больше, чем у стали), изменение температуры
полиморфных превращений из-за наличия легирующих,
образование хрупких вторичных фаз при охлаждении и
старении легированных сплавов приводят к появлению
химической и структурной неоднородностей как в шве,
так и особенно в околошовной зоне, что наиболее часто
выражается в появлении холодных трещин и пор. Таким
образом, мерами обеспечения свариваемости титановых
сплавов являются:
1) гарантированное получение минимально допусти-
мого уровня механических свойств наиболее сла-
бого участка (как правило, околошовной зоны)
соединения;
2) обеспечение достаточной сопротивляемости свар-
ного соединения образованию холодных трещин;
3) обеспечение отсутствия пористости швов.
Основным требованием, обеспечивающим техноло-
гическую свариваемость титановых сплавов, является
назначение таких тепловых режимов сварки, при кото-
рых время пребывания металла околошовной зоны
269
Материалы и их поведение при сварке
выше температуры полиморфного превращения не при-
водит к образованию холодных трещин (из-за чрезмер-
ного роста зерна), а скорость охлаждения околошовной
зоны обеспечивает получение благоприятных структур
(минимальное содержание хрупких структур мартенсит-
ного типа), гарантирующих необходимые ее пластичес-
кие свойства.
Таблица 20.3
Химический состав технического титана
Марка сплава Легирующие, % ав, МПа 6, % KCU, Дж/см2
а - сплавы
ВТ5 4,3-6,2А1;0,8 Мо 750-950 10-14 30-50
BT5-I 4,3—6,0 AJ: 2-3 Sn; 0,8-1,2 Мо 800-1000 10-15 45
Псевдо а - сплавы
ОТ4-1 1-2,5 А1; 0,7-2,5 Мп 600-750 15 80
ВТ20 5,5—7,5 Al; 0,5-2,0 Мо; 0,8-1,8 V 950-1150 10 45
а + 0-сплавы
ВТ-6 5,5-7,0 Al; 4,2-6,0 V 930-1100 8 —
На рис. 20.2 представлены типичные зависимости
механических характеристик металла околошовной
зоны от скорости охлаждения (времени пребывания
околошовной зоны выше температур превращения).
Они позволяют ориентировочно оценивать и выбирать
тепловые режимы для сварки титановых сплавов различ-
ных структур по значениям оптимального интервала
скорости охлаждения AWOI1 (или времени охлаждения At)
с целью получения требуемых свойств сварного соеди-
нения и недопущения трещинообразования.
Опасной разновидностью проблемы холодных тре-
щин в титановых сплавах является склонность к замед-
270
Глава 20. Титан и титановые сплавы
Рис. 20.2. Влияние скорости охлаждения околошовной зоны на
уровень механических свойств: a — сплавы с а-, а'-, а+р-структу-
рой (малое количество p-фазы); б — сплавы с а+со+р-структурой
(среднее количество p-фазы); в — сплавы с р+а'+а-структурой
(повышенное количество р-фазы)
ленному разрушению, причиной которого являются по-
вышенное содержание водорода в шве и образование
хрупкого гидрида титана TiH, а также достаточно высо-
кий уровень суммарных растягивающих напряжений
первого рода (остаточных сварочных и от внешней на-
грузки). Отрицательное влияние водорода повышается
при увеличении содержания примесей и из-за возрас-
271
Материалы и их поведение при сварке
тания количества хрупких фаз в процессе охлаждения и
старения легированных титановых сплавов. Наиболее
опасен водород для а-сплавов, так как его раствори-
мость в них весьма мала (<0,001 %), менее опасен он при
сварке а+р-сплавов.
Другой проблемой свариваемости является порис-
тость швов. Поры в сварных швах и соединениях обра-
зуются, в основном, из-за попадания водорода в металл
вместе из адсорбированной влаги на проволоке, во флю-
се, свариваемых кромках или вследствие нарушения га-
зовой защиты ванны. В процессе сварки и после нес во-
дород диффундирует от зон максимальных температур
(например, от ванны) в менее нагретые области (к основ-
ному металлу), что вызывает образование пор по линии
сплавления. Кроме того, поры могут образовываться
из-за:
а) захвата пузырьков инертного газа кристаллизую-
щимся металлом ванны;
в) «схлопывания» микрообъемов газовой фазы при
совместном деформировании кромок в процессе
сварки.
Следует также учитывать, что низкая вязкость титано-
вых сплавов в расплавленном состоянии и высокий ко-
эффициент поверхностного натяжения обусловливают
опасность появления локальных прожогов, а это требует
обеспечения минимальных зазоров при сборке под свар-
ку и точного соблюдения тепловых режимов сварки.
20.3. Технологические особенности сварки
Отрицательное влияние кислорода, азота и водоро-
да требует при всех способах сварки плавлением тита-
новых сплавов эффективной зашиты от взаимодействия
с газами атмосферы не только сварочной ванны, но и
272
Глава 20. Титан и титановые сплавы
мм л1 ча околошовной зоны, нагреваемой выше Т =
350 С. При выборе способа и вида сварки необходимо
учшывать типоразмер соединений, требования к эксп-
луатационным свойствам изделия, программу выпуска
и ряд других условий. Основными способами сварки ти-
। и юных сплавов являются дуговая сварка в среде инер-
тных газов плавящимся и нсплавящимся электродами,
сварка под слоем флюса, электрошлаковая, электронно-
лучевая и плазменная.
Особенностью подготовки кромок основного метал-
ла под сварку является тщательная очистка их поверх-
ности на ширине 15—20 мм от стыка с целью удаления
поверхностного слоя, насыщенного газами, в основном
кислородом (альфированный слой). Очистка произво-
дится металлическими щетками или шаберами с после-
дующим обезжириванием спиртом или ацетоном. Заго-
товки, подвергнутые перед сваркой горячей обработке
(прокатка, вальцовка, штамповка) или термической об-
работке в печах без защитной атмосферы, проходят дро-
беструйную обработку поверхности для разрыхления и
удаления оксид но-нитридной пленки с последующим
химическим травлением поверхности, осветлением и
промывкой бензином. Составы реактивов для травления
и режимы обработки подробно представлены в работах
[7, 18]. Один из реактивов состоит, например, из смеси
плавиковой кислоты HF (300 мл/л) и азотной кислоты
HNO3 (550 мл/л).
Сварочную проволоку перед сваркой обезжиривают,
протравливают и, как правило, подвергают вакуумному
отжигу с целью удаления водорода. Непосредственно
перед сваркой вновь обезжиривают. В помещениях, где
сваривают титановые сплавы, температура не должна
быть ниже +15 °C.
10. За. <1
273
Материалы и их поведение при сварке
В качестве защитного газа используются аргон выс-
шего сорта (ГОСТ 10157—73), гелий высокой чистоты
(ГОСТ 20461—75) или смеси этих газов Защита зоны
сварки производится как с лицевой, так и с обратной
стороны шва (поддув). При этом сопла горелок снабжа-
ются специальными удлинительными насадками дли-
ной до 500 мм, а формирующие проплав подкладки со-
держат отверстия (каналы) для поддува защитного газа
к корню шва. Типовые конструкции насадок и подкла-
док представлены в литературе [5]. Более эффективны-
ми, но и более дорогими являются местные или общие
камеры с контролируемой атмосферой защитного газа.
При толщине металла S < 4,0 мм разделка кромок, как
правило, не производится и сварку осуществляют за один
проход, а при больших толщинах используют V-, X- или
U-образную разделку кромок и многопроходную сварку.
Ручная и механизированная сварка вольфрамовым
электродом осуществляется на постоянном токе прямой
полярности. Диаметр вольфрамового электрода выбира-
ется в зависимости от величины тока, а торец его зата-
чивается на конус. Наиболее широко распространены
вольфрамовые электроды марок ЭВИ и ЭВЛ.
Во избежание чрезмерного перегрева околошовных
участков величину сварочного тока ограничивают (не
более 300 А). Сварку ведут короткой дугой без попереч-
ных колебательных движений. Для повышения глубины
проплавления часто используют галогенидные флюсы-
пасты типа АН-ТА, АНТ—23А, ФАН—1, наносимые на
кромки тонким слоем. Флюсы-пасты построены на ос-
нове CaF с различными добавками и кроме указанного
предотвращают пористость, формируют более узкие
швы и способствуют модифицированию металла шва.
После окончания сварки защитный газ подается до тех
пор, пока металл не остынет примерно до 350 °C. Для
малых толщин (S = 0,5—2,0 мм) широко применяется
274
Глава 20. Титан и титановые сплавы
импульсно-дуговая сварка W-электродом. За счет регу-
лирования тока, скорости сварки и длительности им-
пульсов и пауз можно в широких пределах изменять
погонную энергию и, следовательно, размеры и форму
швов. Импульсно-дуговая сварка существенно улучша-
ет структуру швов, сужает ЗТВ и снижает деформации
сварных конструкций на 15—30%. С целью увеличения
проплавляющей способности дуги разработан ряд раз-
новидностей сварки W-электродом: погруженной дугой,
по флюсу, с присадочной порошковой проволокой,
с магнитным перемешиванием ванны, в узкую щелевую
разделку и др. Особенности этих способов сварки под-
робнее изложены в литературе [5,6,18], а ориентировоч-
ные режимы ручной и механизированной сварки при-
ведены в табл. 20.4.
Таблица 20.4
Ориентировочные режимы аргонодуговой сварки титановых
сплавов W-электродом
S, мм U, л ия,в dw, мм (1ф,ММ Рг, л/мин Ч,, м/ч Ч*, м/ч
Ручная сварка
2.0 70-90 10-14 2-3 1,2-1,5 5=8 2 — —
3,0 120-130 10-15 2-3 1,5-2,0 5=8 2 — —
Механизированная сварка
2,0 120-160 8-10 2,5-3,0 — 8-10 3—4 20-25 —
5,0 200-240 13-15 4-5 2,5 12 -15 4—6 13-15 60-80
Примечание: В знаменателе указан расход газа на поддув.
Материалы и их поведение при сварке
Сварка плавящимся электродом применяется для
соединений толщиной более 4 мм и осуществляется на
постоянном токе обратной полярности с использовани-
ем электродных проволок диаметром 2—5 мм.
Для термически неупрочняемых а- и псевдо-а-сплавов
используются сварочные проволоки марок ВТ 1-00, ОТ4,
ОТ4—1, ВТ2, а для а+р-сплавов — СПТ-2. Для упрочня-
емых сплавов применяются более легированные проволо-
ки марок ВТ6, ВТ20-1св, ВТ20-2, ВТ16, СПР-2.
Размеры и форма шва существенно зависят от тепло-
вой мощности дуги и от состава инертного газа: в гелии
швы более широкие, с плавным переходом к основному
металлу, а в аргоне они узкие и глубокие. Оптимальные
размеры и форма шва достигаются при использовании
смесей (80% Не + 20% Аг). При сварке плавящимся
электродом процесс осуществляют на токах, обеспечи-
вающих струйный перенос электродного металла. Для
толщин S < 25 мм применяется однопроходная сварка,
а для больших — многопроходная с разделкой кромок.
Импульсно-дуговая сварка плавящимся электродом по-
зволяет выполнять соединения в монтажных условиях в
различных пространственных положениях с хорошим
формированием швов. Примерные режимы сварки пла-
вящимся электродом приведены в табл. 20.5.
Таблица 20.5
Ориентировочные режимы сварки плавящимся электродом
стыковых соединений в аргоне
S, мм d^MM U.A Up В Va, м/ч Рг, л/мин
3-8 1,6 350-450 22-28 25-40 20-30
10-12 1,6-2,0 440-520 30-34 20-35 33-45
15 3 600-650 30-32 25-30 35-50
276
Глава 20. Титан и титановые сплавы
Сварка под флюсом применяется для элементов тол-
щиной 3—40 мм с использованием постоянного тока
обратной полярности и безкислородных галогенных
флюсов серии АНТ системы CoF2-BaCl2-NaE Перед
сваркой флюс обязательно прокаливается при Т = 300—
400 °C. Сварку выполняют на медной формирующей
подкладке, на флюсовой подушке или на остающихся
подкладках. Для S < 10—12 мм применяют однопроход-
ную сварку без разделки кромок, а при S = 12-25 мм —
двухстороннюю с разделкой кромок. При больших тол-
щинах рекомендуется использовать X- и U-образную
разделку кромок. Швы отличаются отсутствием пор,
удовлетворительной пластичностью и практически рав-
нопрочны основному металлу. Применение комбиниро-
ванной флюсогазовой зашиты улучшает пластичность и
вязкость металла швов. Ориентировочные режимы свар-
ки под флюсом приведены в табл. 20.6.
Таблица 20.6
Режимы автоматической сварки под флюсом стыковых
соединений титановых сплавов
S, мм «L» мм 1а,А ид,в V ’ под» м/ч V„, м/ч Марка флюса Примечания
6.0 3,0 390-420 30-32 170-175 50 АН-Т1, АН ТЗ на медной подкладке
10,0 4.0 600-620 32-34 110-115 45 АН-Т1, AH-T3 на медной подкладке
Электрошлаковая сварка применяется для заготовок
(поковок) и деталей толщиной свыше 40 мм. Сварку
производят пластинчатыми или проволочными электро-
дами под тугоплавкими фторидными флюсами типа
АНТ-2, АНТ—4, АНТ—15А, АНТ—23А с дополнитель-
ной защитой аргоном. Сварка осуществляется на пере-
менном токе с минимальной погонной энергией, необ-
Материалы и их поведение при сварке
ходимой для обеспечения проплавления и устойчивос-
ти процесса. Ориентировочные режимы сварки приве-
дены в табл. 20.7. Недостаток сварных соединений —
крупнозернистая структура шва, снижающая пластич-
ность соединения.
Таблица 20 7
Режимы ЭШС титановых сплавов проволочными
электродами
S, мм мм 1с, А ил,В Ve, м/ч Число электродов м/ч
40-60 5 700-830 26-28 1,2-1,7 1 30
60-80 28-30 0,9-1,2
80-100 30-32 0.7-0.9
100-120 30-32 0,6-0,7 2
При всех видах сварки плавлением улучшение
свойств (в основном, пластичности) сварных соедине-
ний достигается послесварочной термической обработ-
кой. Как правило, она производится для легированных
сплавов мартенситного и переходного классов (ВТ6,
ВТ14, ВТ22 и др.). Основными видами термообработки
для сварных соединений являются отжиг или закалка с
последующим старением.
Сварные соединения из технического титана, а- и
псевдо-а-сплавов титана подвергаются отжигу для сня-
тия сварочных напряжений и для обеспечения возмож-
ности правки деформированных конструкций. Для а+0-
сплавов чаще применяют рекристаллизационный отжиг.
Старение сварных соединений из а+р- и Р-сплавов
улучшает прочностные характеристики.
Подробную информацию об использовании элект-
ронно-лучевой, плазменной, вакуумно-дуговой и других
видов сварки титановых сплавов можно получить в ли-
тературе [5, 18].
278
Глава 20. Титан и титановые сплавы
Следует особо подчеркнуть необходимость обеспече-
ния высокой культуры производства при реализации
технологии создания сварных конструкций из титано-
вых сплавов (чистота помещения, постоянство темпера-
туры и влажности, отсутствие сквозняков, применение
спецодежды и т. д.).
Вопросы для самопроверки
1. В чем заключается отрицательная роль кислорода и
азота для титановых сплавов?
2. Какими механическими свойствами отличается
технический титан от титановых сплавов?
3. Какие химические элементы являются а-стабилиза-
торами ?
4. Какие свойства придает титану алюминий?
5. Какова роль ^-стабилизаторов в изменении свойств
титановых сплавов?
6. Как классифицируются титановые сплавы по тех-
нологии их производства?
7. В чем недостаток a- Ti сплавов при сварке ?
8. Каков уровень свариваемости двухфазных a+ft-Ti
сплавов?
9. Назовите основные проблемы свариваемости тита-
новых сплавов.
10. Назовите основные причины образования пористос-
ти при сварке титановых сплавов.
11. Для чего сварочную проволоку перед сваркой подвер-
гают вакуумному отжигу?
12. Назовите причины появления и виды холодных тре-
щин в сварных соединениях из титановых сплавов.
—... —Глава 21 -----.. =
СВАРКА РАЗНОРОДНЫХ
МЕТАЛЛОВ
21.1. Проблемы свариваемости
Сварные конструкции из разнородных металлов и
сплавов применяются в судостроении, химической
и нефтехимической, авиационной и энергетической
промышленности. В целях снижения веса, улучшения
эксплуатационных характеристик изделий, экономии
цветных металлов или легированных сталей широко ис-
пользуются сталеалюминиевые, сталетитановые, сталь-
медныс, медноникелевые и другие сварные соединения
(трубопроводы, биметаллические переходники, емкости,
палубные надстройки, трапы и т. п.), сочетающие в себе
высокие механические свойства с хорошей тепло- и элек-
тропроводностью, высокой коррозионной или термичес-
кой стойкостью и т. п. Достаточно широко используют-
ся также сочетания тугоплавких и химически активных
металлов (Mo, Nb, Та, Zr) с коррозионностойкими и
жаропрочными сталями (узлы двигателей, атомных ре-
акторов и т. п.).
Проблемы сварки разнородных металлов и сплавов
обусловлены их различными физическими (Т^, at, у, X
и т. д.), механическими (ов, от, 5, НВ) и физико-хими-
ческими свойствами (ограниченная взаимная раствори-
280
Глава 21. Сварка разнородных мегаллов
мость элементов в сплаве, образование интерметалли-
дов из контактируемых элементов, активное и различ-
ное по интенсивности взаимодействие с газами Н2, О2
и N2, неодинаковая чувствительность к росту зерна об-
разующихся фаз при нагреве и т. д.). Эти факторы суще-
ственно усложняют технологию сварки. Наилучшие
свойства сварных соединений достигаются, когда ком-
поненты свариваемых металлов обладают неограничен-
ной взаимной растворимостью, и значительно хуже сва-
риваются металлы, которые образуют ограниченный ряд
твердых растворов или химические соединения. После-
дние, как правило, характеризуются высокой твердо-
стью, постоянством температуры плавления, плотностью
и различием в термических коэффициентах линейного
расширения. Данные о характере взаимодействия эле-
ментов при Т = 20 °C, составляющих основу наиболее
распространенных свариваемых разнородных металлов,
представлены в табл. 21.1. Как видно, только незначи-
тельная часть элементов (Ti-Zn) при взаимодействии об-
разуют непрерывный ряд твердых растворов, остальные
имеют ограниченную взаимную растворимость (Fe-Ti,
Мо-А1) и образуют химические соединения (Mo-W).
По современным представлениям [4, 18], процесс об-
разования прочных связей в сварном соединении из од-
нородных и разнородных металлов условно разделяют
на три стадии, отличающиеся длительностью протека
ния происходящих процессов (рис. 21.1):
I. Подготовительная стадия, заключающаяся в сбли-
жении соединяемых поверхностей металла на расстоя-
ния, обеспечивающие образование физического контак-
та, при котором возникает межатомное взаимодействие.
При сварке плавлением это достигается за счет расплав-
ления и растекания жидкого металла по поверхности
твердого металла, а при контактной сварке — за счет
281
Материалы и их поведение при сварке
Таблица 21.1
Характер взаимодействия между элементами при Т = 20°
элемент Al Ti V Fe Ni Си Zn Nb Mo Ta w
А1
Ti &
V -f Ж
Fe
Ni 4- Ж
Си 4-
Zn *
Nb /JF S- r- - . 1 ‘ r - ^fT7
Mo * •
Ta i-
W * Ж
непрерывный ряд твердых растворов
ограниченная растворимость
ограниченная растворимость и химичес-
кие соединения
хрупкие интерметаллиды
не взаимодействуют
282
Глава 21. Сварка разнородных металлов
Рис. 21.1. Схема изменения прочности сварного соединения
в процессе физического (А) и химического(Б, В)
взаимодействия соединяемых поверхностей: 1 — процесс
растворения; 2 — процесс образования химических соединений
пластической деформации твердых металлов. На этой
стадии за счет вложенной тепловой энергии сварки со-
единяемые поверхности лишь активируются, а проч-
ность соединения весьма низкая.
2. Вторая стадия — это образование химически проч-
ных связей между атомами соединяемых металлов, об-
разующихся в процессе смачивания жидким металлом
в местах контактирования его с активной поверхностью
твердого металла.
При одновременном расплавлении обеих кромок
металла первая и вторая стадии практически происхо-
дят одновременно, а при расплавлении одной из соеди-
няемых кромок (менее тугоплавкой) вторая стадия об-
разования соединения (химическое взаимодействие)
несколько задерживается относительно первой на вре
мя, необходимое для термической акгивации поверхно-
283
Материалы и их поведение при сварке
сти твердой кромки (кривая на участке Б смещается
вправо на рис. 21.1). Эта задержка получила название
периода ретардации.
3. Третья, завершающая, стадия (В) характеризуется
развитием диффузионных и релаксационных процессов
в зоне сварного шва при его остывании, влияющих на
количество и размеры химических соединений (хрупких
прослоек) в шве, а также на величину остаточных напря-
жений. Процессы, протекающие на этой стадии опре-
деляются значениями температуры и характером взаи-
модействия соединяемых материалов (с учетом времени
контактирования, содержание газов и примесей, склон-
ность к росту фаз ит.д.).
Из рис. 21.1 следует, что если длительность контак-
тирования жидкого и твердого металлов в разнородном
соединении меньше периода ретардации, то можно по-
лучать надежное соединение металлов даже с ограни-
ченной взаимной растворимостью компонентов без
значительных по размерам промежуточных хрупких ин-
терметаллидных фаз.
Однако в реальных условиях сварки длительность
контактирования всегда больше периода ретардации и
получение соединения без хрупких фаз затруднено. Во-
первых, при относительно больших площадях взаимо-
действия фактическое контактирование происходит не
по всей поверхности одновременно, а во-вторых, время
ретардации увеличивается из-за наличия в соединяемых
металлах примесей и легирующих элементов, а также из-
за времени, необходимого для протекания реакции вза-
имодействия между элемен гами и окружающей средой.
Поэтому при сварке приходится считаться с увеличени-
ем времени контактирования, когда заведомо образует-
ся плотный и равномерный слой интерметаллидов,
связывающий соединяемые металлы, но обладающий
284
Глава 21. Сварка разнородных металлов
более низкой пластичностью. Дополнительную труд-
ность сварки большинства разнородных металлов вызы-
вает их активность по отношению к О2, N2 и С, приво-
дящая к образованию в шве оксидов, карбидов и
нитридов, охрупчивающих шов
Решение обозначенных проблем свариваемости раз-
нородных металлов и получение необходимого качества
соединения с минимальным количеством хрупких хи-
мических соединений можно обеспечить технически
целесообразными приемами:
1) обеспечением минимального времени контакти-
рования соединяемых металлов в жидком состоя-
нии, что снижает количество (толщину) или пол-
ностью предотвращает образование хрупких
интерметаллидных фаз (прослоек);
2) обеспечением надежной защиты расплавленного
металла от взаимодействия с газами, окружающи-
ми жидкий металл, путем использования соответ-
ствующих электродных покрытий, защитной газо-
вой среды или флюсов;
3) подбором и использованием промежуточных ме-
таллов (вставок), хорошо или удовлетворительно
растворяющихся в обеих соединяемых кромках
разнородных металлов и предотвращающих обра-
зование хрупких интерметаллидных фаз;
4) подавлением роста интерметаллидных хрупких
фаз за счет соответствующего легирования шва
или повышением их пластических свойств.
Современные сварочные материалы и оборудование
позволяют реализовать эти приемы за счет регулирова-
ния состава шва и степени нагрева более тугоплавкого
металла (электронно-лучевая, лазерная сварка, дуга кос-
венного действия, смещение источника тепла на одну из
кромок и т. д.), использования в качестве защиты вакуума
285
Материалы и их поведение при сварке
или нейтральных газов Аг и Не высокой чистоты, путем
тщательной очистки (например, травление) сваривае-
мых поверхностей или их предварительного покрытия
поверхностно-активным слоем, предохраняющим сва-
риваемые кромки от окисления, снижающим энергию
активации, улучшающим смачивание между жидким
легкоплавким металлом и нагретой поверхностью тугоп-
лавкого металла и т. д.
Болес подробную информацию об особенностях
свариваемости разнородных металлов и сплавов, при-
меняемых сварочных материалах и оборудовании мож-
но получить в литературе [7] Особенности техники и
технологии сварки разнородных черных и цветных ме-
таллов представляется целесообразным рассматривать в
двух аспектах:
1) сварка сталей с цветными металлами и их сплавами;
2) сварка разнородных цветных металлов и сплавов.
21.2. Сварка плавлением стали
с цветными металлами
21.2.1. Сварка стали с алюминием
и его сплавами
Получение требуемого уровня эксплуатационных ха-
рактеристик в таких соединениях затруднено различи-
ем температур плавления и ограниченной взаимной ра-
створимостью алюминия и железа. Аргонодуговая сварка
вольфрамовым электродом с присадкой, электронно-
лучевая и лазерная сварка являются наиболее приемле-
мыми способами получения соединений, используемых
в судостроении (трапы, трубы, надстройки и т. п ).
286
Глава 21. Сварка разнородных металлов
Подготовка под сварку предусматривает для стыко-
вого соединения двусторонний скос кромок под углом
а = 70’ к вертикали. Поверхность стальной кромки за-
чищается механическим (стальные щетки) или дробе-
струйным способами, а для высоколегированных сталей
часто используется химическое травление. Свариваемые
кромки из углеродистых и легированных сталей гальва-
ническим способом покрываются цинком, а кромки из
высоколегированных аустенитных сталей целесообраз-
нее алитировать (покрывать тончайшим слоем чистого
алюминия). Свариваемые кромки из алюминиевых
сплавов подвергаются химическому травлению.
Аргонодуговую сварку ведут на переменном токе
вольфрамовым электродом Ж2—5 мм со смещением его
на алюминиевую кромку на 1—3 мм от стыка, а приса-
дочную проволоку (Св А97, Св АМгб) подают впереди
дуги со стороны стальной детали (рис. 21.2). Дуга как бы
покрывает присадку, что предохраняет цинковое или
алюминиевое покрытие на стали от преждевременного
выгорания. Заполнение разделки, как правило, выпол-
няют валиками с двух стороны стыка.
Скорость сварки, определяющую время взаимодей-
ствия жидкого алюминия со сталью, т. е. возможно
большую толщину промежуточного интерметаллидного
слоя, выбирают в пределах не более 10—15 м/ч. Ток свар-
ки ориентировочно выбирается из соотношений:
Толщина металла, мм 3 6—8 9—10
Сила тока, А 110-130 130-160 180-200
Статическая прочность сварных соединений алюми-
ния с оцинкованной стальной кромкой практически
соответствует прочности чистого алюминия (ов = 70—
85 МПа), а при алитировании стальной кромки она до-
287
Материалы и их поведение при сварке
Рис. 21.2. Схемы аргонодуговой сварки алюминия со сталью:
а) смещение дуги при сварке встык (1 — горелка, 2 — JV-эл-д,
3 — газ защитный, 4 — присадка); б) ориентировочная
последовательность наложения валиков (цифры — эго номера
накладываемых слоев)
стигает 120—180 МПа. Повысить прочность соединения
можно за счет увеличения рабочего сечения шва. Пре-
дел выносливости на базе 10' циклов таких соединений
составляет 50—60 МПа, т. е. такой же как и у сплава
АМгб. Сварные соединения коррозионностойкие в мор-
ской воде и на воздухе.
Лучшие результаты свойств соединений получают,
когда в качестве покрытия для стальной кромки исполь-
зуют комбинированные медноцинковые (5—35 мкм) и
никельмедноцинковые (5—35 мкм) покрытия, обеспечи-
вающие снижение толщин и твердости интерметаллид-
ных прослоек и повышение прочности шва (с усилени-
ем) до о„ = 185—200 МПа.
288
Глава 21. Сварка разнородных металлов
21.2.2. Сварка стали с медью и ее сплавами
Физико-химические свойства меди и железа (строение
кристаллической решетки, атомные радиусы) довольно
близки, что обеспечивает некоторый минимальный уро-
вень их взаимной растворимости при нормальной тем-
пературе (железа в меди <0,2%, меди в железе <0,3%) и
несколько облегчает получение сварного соединения с
требуемыми свойствами. Наличие в стали углерода сни-
жает растворимость меди в железе, а следовательно,
ухудшает свариваемость, а присутствие Мп и Si — улуч-
шают ее. Основными осложняющими факторами при
сварке являются различие в температурах плавления
(Тпл.си= Ю83 °C, Tjuj Ct = 1525 °C), значительная разни-
ца в теплопроводности и теплоемкости, высокое срод-
ство меди к кислороду и газам, ее большая жидкотеку-
честь, появление эвтектики Cu+Cu2O, охрупчивающей
шов, и повышенная в сравнении со сталью склонность
меди к пористости. Специфическим дефектом при свар-
ке (наплавке) стали с медью и ее сплавами является
межкристаллитное проникновение жидкой меди в сталь
(МКП), проявляющееся в появлении у линии сплавле-
ния со сталью трещин в виде «клиньев» по границам
зерен стали, заполненных медью. Глубина таких дефек-
тов достигает 0,01—40 мм, что в сочетании с локализа-
цией термических напряжений приводит к горячим тре-
щинам. Чем более легированной является сталь, тем
больше таких дефектов и тем больше их глубина. Нали-
чие таких дефектов существенно снижает прочность,
пластичность и сопротивление усталости сварных со-
единений.
Медь и ее сплавы (латунь, бронза) свариваются со
сталью на таких же режимах сварки, как и стальные со-
единения соответствующих толщин. Дугу рекомендует-
289
Материалы и их поведение при сварке
ся смещать в сторону меди с тем, чтобы несколько ог-
раничить температуру перегрева расплавляемой кромки
стали (Т < 1100 °C) и сократить время контактирования
жидкой меди со сталью при этой температуре (tK <0,01—
0,015 с). Поэтому концентрированные источники теп-
ла (электронный и лазерный луч) предпочтительнее и
обеспечивают лучшее качество шва.
Для ручной дуговой сварки меди, бронз марок
БрАМц 9-2, БрКМц 3—1, латуней типа ЛК62—0,5 с низ-
коуглеродистыми и низколегированными сталями
ВСтЗ, СтЮ, 09Г2 широко применяют электроды типа
«Комсомолец», а при сварке под флюсами ОСЦ—45,
АН—26 используют проволоки из бронз БрКМц 3-1,
БрХ0,7.
При наплавке или сварке меди или ее сплавов со ста-
лью в среде защитных газов плавящимися и неплавящи-
мися электродами рекомендуется использовать проволо-
ки БрАМц9—2, БрКМцЗ—1 и МНЖ5—1. Использование
при механизированных способах сварки керамических
флюсов эффективно при наплавочных работах, что по-
зволяет получать требуемую твердость (НВ = 90—180) и
износостойкость.
Указанные сварочные материалы и способы сварки
обеспечивают при статических нагрузках прочность (по
цветному металлу) сварного соединения в пределах 220—
360 МПа и достаточную пластичность (угол загиба от 40
до 180°). При этом аргонодуговая сварка W-электродом,
как правило, дает более высокие механические свойства
в сравнении с другими видами сварки.
21.2.3. Сварка стали с титаном и его сплавами
Титан с железом обладает ограниченной взаимной
растворимостью и наличием эвтектоидного распада вы-
290
Глава 21. Сварка разнородных металлов
сокотемпературной 0-фазы титана. При кристаллизации
такого сплава в интервале температур Т = 1250—1150 ttC
образуются интерметаллиды (TiFe, TiFe2, Ti2Fe) и эвтек-
тики р-фаза+TiFe, TiFe+TiFe2 и др., резко снижающие
пластичность металла. Учитывая высокие скорости ох-
лаждения, характерные для сварочной ванны, очевид-
ной является основная проблема их свариваемости —
образование горячих трещин в шве и особенно по ли-
нии сплавления.
Решение этой проблемы возможно за счет соответ-
ствующего выбора сварочных материалов, способов и
режимов сварки, предотвращающих или существенно
снижающих концентрацию образовавшихся хрупких
интерметаллидных фаз TiFe и TiFe2 и указанных эвтек-
тик Практическое применение находит сварка через
промежуточные вставки из металлов, удовлетворитель-
но сваривающихся с соединяемой парой металлов.
Единственным элементом, не образующим со сталью и
титаном интерметаллидов, является ванадий, который
и используется в качестве промежуточной вставки при
сварке этих металлов. Однако наличие углерода в стали
способствует образованию карбидов ванадия, несколь-
ко снижающих пластичность соединения. Известны [15,
19] также комбинированные (биметаллические) встав-
ки из технического тантала (со стороны титана) и бери-
лиевой бронзы БрБ2 (со стороны стали), а также из ни-
обия (со стороны титана) и бронзы (со стороны стали).
Однако их применение существенно осложняет техно-
логию сборки и технику выполнения швов и ужесточа-
ет требования к качеству защитной атмосферы. Основ-
ными видами сварки таких пар металлов являются
аргонодуговая неплавящимся электродом, электронно-
лучевая и лазерная. Сварка в камерах с контролируемой
атмосферой обеспечивает более высокую пластичность
291
Материалы и их поведение при сварке
и практически полное отсутствие дефектов в шве. Наи-
более частыми сочетаниями свариваемых материалов
являются высокопрочные (ВНС—2) и высоколегирован-
ные стали и сплавы (12Х18Н10Т, ХН65ВМТЮ) с терми-
чески неупрочняемыми сплавами ОТ4—1, ВТ5—1. Тех-
ника ведения процесса такова, что при использовании
промежуточных вставок источник тепла (дуга, луч) в
стыке сталь-ванадий смещается на 1,0—1,5 мм в сторо-
ну стали, а в стыке титан-ванадий — в сторону титана.
Статическая прочность сварных сталетитановых со-
единений со вставкой из ванадия достигает оц = 470— 530
МПа, что сравнимо с прочностью титановых сплавов.
21.2.4. Сварка стали с ниобием, молибденом
и ванадием
Сварка стали с ниобием, молибденом и ванадием ус-
ложняется обязательным и жестким выполнением усло-
вия: источник тепла должен расплавлять сталь и не до-
пускать интенсивного перегрева более тугоплавкого
металла, обеспечивая хорошую его смачиваемость рас-
плавом стали. При этом свариваемые кромки не должны
контактировать с газами атмосферы, это предупреждает
трещино- и парообразование в сварном соединении. Бо-
лее подробную информацию о материалах и особенно-
стях технологии сварки этих сплавов можно получить в
литературе [19].
292
Глава 21. Сварка разнородных металлов
21.3. Сварка разнородных цветных
металлов и сплавов
21.3.1. Сварка алюминия и его сплавов с медью
Основной проблемой сварки является различие в
теплофизических, химических и механических свой-
ствах алюминия и меди, их ограниченной взаимной ра-
створимости и в образовании в процессе охлаждения и
кристаллизации соединения хрупких интерметаллидных
фаз типа CuAl?, способствующих образованию горячих
трещин в шве. Сварка выполняется после гальваничес-
кого нанесения на медную кромку цинкового покрытия
толщиной 50—60 мкм.
Сварку плавлением осуществляют аргонодуговым
способом или под флюсом. В качестве электродного
материала используют проволоки из алюминия или его
сплавов (СвА1, СвАК5, СвАМг).
При аргонодуговой сварке дугу смещают на более
теплопроводный металл (медь) на 0,5 толщины свари-
ваемого металла. При этом со стороны меди образуется
прослойка интерметаллидов толщиной 3—10 мкм, а со
стороны алюминия — такой же ширины полоска твер-
дого раствора меди в алюминии. Интерметаллидная
прослойка обусловливает некоторое снижение пластич-
ности и возможность образования трещин в соедине-
нии. Подавление роста интерметаллидной прослойки с
помощью легирования шва 4-5% Si и 6-8% Zn за счет
присадки улучшает пластические свойства соединения,
снижая трещинообразование. При сварке встык медную
кромку скашивают под углом 45—60°, что обеспечивает
повышенную статическую прочность соединения.
293
Материалы и их поведение при сварке
Сварка под флюсом применяется при толщинах со-
единяемых элементов S = 8—20 мм с использованием
проволоки СвА97 и флюса АН-А1. При сварке электро-
дная проволока смещается на медь на 5—7 мм. Предел
прочности сварного соединения равен пределу прочно-
сти алюминия (ов— 70—100 МПа).
21.3.2. Сварка алюминия и его сплавов
с титаном
Обязательным условием получения качественного
сварного соединения является предварительное покры-
тие кромки из титана чистым алюминием (алитирова-
ние), что уменьшает время образования соединения,
снижает период ретардации и количество интерметал-
лидов по линии сплавления и не вызывает ощутимого
охрупчивания шва. После алитирования на титановую
кромку дополнительно наплавляют слой чистого алю-
миния (толщина 5—8 мм). Затем осуществляют аргоно-
дуговую сварку W- электродом на режимах, характерных
для соединения алюминия. Наиболее часто сваривают
тонколистовые соединения из титановых сплавов марок
ОТ4, ВТ5 с алюминиевыми сплавами АМгб, АМц, АД1.
Прочность соединений составляет ов= 110—270 МПа,
а пластичность, измеряемая углом загиба, примерно
равна а = 17—30°.
21.3.3. Сварка меди и ее сплавов с титаном,
ниобием, молибденом и танталом
Проблемой свариваемости для указанных пар метал-
лов являются различия в их физических и химических
294
Глава 21. Сварка разнородных металлов
свойствах, как правило, приводящих к повышенному
образованию хрупких интерметаллидов, в основном, по
линии сплавления. Существенно усложняет сваривае-
мость металлов их высокая химическая активность по
отношению к газам. Применение промежуточных вста-
вок из специально выплавленного сплава титана, леги-
рованного Мо, Nb, Та, снижающих температуру поли-
морфных а <-> 0-превращений и улучшающих взаимную
растворимость компонентов, обеспечивает получение в
шве достаточно однородного титанового сплава со ста-
бильной 0-фазой. Состав одной из рекомендуемых вста-
вок: Ti+30% Nb. Практически используется только ар-
гонодуговая сварка W-электродом или сварка в камерах
с контролируемой атмосферой с присадкой из медных
проволок. При соединении меди марки М3 или бронзы
БрХ0,8 с титановым сплавом ВТ5 удается обеспечить
прочность соединения ов = 220—280 МПа.
Подробнее вопросы сварки меди с ниобием, молиб-
деном, танталом, а также ниобия с молибденом и при-
менения биметаллов для получения разнородных соеди-
нений освещены в работах [7, 15, 18].
Вопросы для самопроверки
1. Какие факторы ограничивают свариваемость раз-
нородных металлов ?
2. Какими постоянными параметрами характеризу-
ются химические соединения, образующиеся при
сварке разнородных металлов ?
3. Назовите три стадии образования прочных связей в
сварном соединении.
4. Что определяет понятие ретардации ?
295
Материалы и их поведение при сварке
5. Почему в реальных условиях сварки разнородных ме-
таллов получение соединения без хрупких фаз за-
труднено ?
6. Назовите наиболее целесообразные приемы получения
необходимого уровня качества сварных соединений из
разнородных металлов.
7. Как подготавливать стальную кромку для сварки с
алюминием?
8. Какие факторы осложняют сварку меди со сталью?
9. Для чего при сварке титановых сплавов со сталью
рекомендуют использовать промежуточные метал-
лы-вставки ?
10. Для чего при сварке алюминия с медью рекомендуют
смещение источника тепла на медь ?
Список литературы
1. Технология конструкционных материалов / Под ред.
М.А. Шатерина. — СПб.: Политехника, 2005. — 597 с.
2. Международный транслятор современных сталей и
сплавов. Т.1 / Под ред. С.М. Кершенбаум. — М., 1992. —
1103 с.
3. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И, Материаловедение. —
СПб.: Химиздат, 2004. — 735 с.
4. Теория сварочных процессов: Учебник для вузов. /
под. ред. В.М. Неровного. — М.; МГТУ им. Н.Э. Бау-
мана, 2007. — 749 с.
5. Акулов А.И., Бельчук Г.А., Демянцевич В.П. Техно-
логия и оборудование сварки плавлением. — М.: Маши-
ностроение, 1977. — 431 с.
6. Сварка в машиностроении. Справочник в 4-х т.
Т2. / под ред. Г.А. Николаева. — М.: Машиностроение,
1978.- 391 с.
7. Сварка и свариваемые материалы: Справочник
в 3-х т. Т.1. / под ред. В.Н. Волченко. — М.: Металлур-
гия, 1991. — 526 с.
8. Марочник сталей и сплавов / под ред. В.Г. Соро-
кина. — М.: Машиностроение, 1989. — 639 с.
9. Шоршоров М.Х., Белов В.В. Фазовые превращения
и изменение свойств стали при сварке. — М.: Наука,
1972.- 219 с.
297
Материалы и их поведение при сварке
10. Макаров Э.Л. Холодные трещины при сварке леги-
рованных сталей. — М.: Машиностроение, 1981. — 248 с.
И. Лившиц Л.С., Хакимов А.Н. Металловедение свар-
ки и термическая обработка сварных соединений. — М.:
Машиностроение, 1989. — 333 с.
12. Козлов Р.А. Сварка теплоустойчивых сталей. — Л.:
Машиностроение, 1986. — 16 с.
13. Каховский Н.И. Сварка высоколегированных ста-
лей. — Киев: Техника, 1975. — 375 с.
14. Абрамович В.Р., Демянцевич В.П., Ефимов Л.А.
Сварка плавлением меди и сплавов на медной основе. —
М.: Машиностроение, 1988. — 215 с.
15. Багрянский КВ., Кузьмин Г.С. Сварка никеля и его
сплавов. — М.: Машиностроение, 1963. — 164 с.
16. Никифоров Г.Д. Металлургия сварки плавлением
алюминиевых сплавов. — М.: Машиностроение, 1977. —
263 с.
17. Макаров В.И. Сварка магниевых сплавов. — М.:
Машиностроение, 1972. — 12 с.
18. Гуревич С.М. Справочник по сварке цветных ме-
таллов. — Киев: Наукова думка, 1981. — 608 с.
19. Земзин В.И. Сварные соединения разнородных
металлов. — М.: Машиностроение, 1966. — 23 с.
Оглавление
Введение..................................................3
Глава 1. Классификация и обозначение сталей...............5
1.1. Основы классификации и принципы обозначения
(маркировки) сталей...................................5
Глава 2. Оценка свойств материалов и сварных соединений...14
Глава 3. Строение и свойства металлов...................19
3.1. Основы кристаллического строения................19
3.2. Дефекты кристаллической решетки металлов........24
3.3. Диаграммы состояния металлических сплавов.......31
Глава 4. Легирование железоуглеродистых сплавов
и их свариваемость......................................38
4.1. Легирующие элементы и их воздействие
на превращения и свойства фаз..........................38
4.2. Фазовые превращения в железоуглеродистых сплавах. ...40
4.3. Свариваемость сталей и методы ее опенки.........47
Глава 5. Строение сварных соединений....................50
5.1. Основные виды превращений в сварных соединениях...50
5.2. Состав зоны термического влияния............. .. .51
Diaea 6. Термическая обработка основного металла и сварного
соединения..............................................57
6.1. Вады термообработки.............................57
6.2. Способы нагрева и оборудование для термообработки.61
Глава 7. Чугуны и стальное литье........................64
7.1. Состав, структуры и основные свойства чугунов...64
7.2. Свариваемость чугунов...........................68
7.3. Технологические рекомендации по сварке чугунов..70
Глава 8. Углеродистые и углеродисто-марганцевые
(низколегированные) стали и их свариваемость............76
8.1. Общая характеристика сталей.....................76
8.2. Свариваемость углеродистых
и углеродисто-марганцевых сталей.....................78
299
Материалы и их поведение при сварке
8.3. Особенности трещинообразования..................82
Глава 9. Среднеуглеродистые и легированные стали
и их свариваемость.....................................104
9.1. Общая характеристика сталей.................. 104
9.2. Характеристика свариваемости.................. 105
Глава 10. Легированные стали для низких температур.....112
10.1. Общая характеристика сталей...................112
10.2. Особенности сварки хладостойких сталей........116
Глава 11. Легированные теплостойкие стали..............121
11.1. Обшая характеристика сталей...................121
11.2. Характеристика свариваемости и рекомендации
по сварке...........................................123
Глава 12. Коррозия.....................................130
12.1. Основные понятия и виды коррозии..............130
12.2. Методы коррозионных испытаний.................144
Глава 13. Высоколегированные коррозионностойкие стали..147
13.1. Общая характеристика сталей................ 147
13.2. Характеристики свариваемости..................155
13.3. Технологические рекомендации по сварке........162
Глава 14. Высоколегированные жаропрочные
и жаростойкие стали....................................168
14.1. Общая характеристика сталей...................168
14.2. Характеристика свариваемости..................172
14.3. Технологические рекомендации по сварке........175
Глава 15. Разнородные стали и особенности их сварки....180
15.1. Основные проблемы свариваемости разнородных
сталей..............................................180
15.2. Сварка сталей одного структурного класса,
но разного легирования..............................184
15.3. Сварка и галей разного структурного класса... 193
Гзава 16. Медь и медные сплавы.........................197
16.1. Способы получения и свойства
меди и медных сплавов...............................197
16.2. Общие сведения о свариваемости меди...........200
16.3. Медные сплавы и особенности их свариваемости..202
16.4 Технологические особенности процессов
и рекомендации по сварке меди и се сплавов. ........205
Глава 17. Никель и его сплавы..........................218
17.1 Основы производства и свойства никеля
и его сплавов.......................................218
300
Оглавление
17.2. Свариваемость и способы сварки...............220
17.3. Технологические рекомендации по сварке.......222
Глава 18. Алюминий и его сплавы.......................230
18.1. Основы производства и свойства алюминия
и его плавов.......................................230
18.2, Классификация промышленных
сплавов алюминия...................................234
18.3. Свариваемость алюминия и его сплавов.........237
18.4. Технология сварки........................... 241
Глава 19. Магний и его сплавы.........................254
19.1. Общая характеристика сплавов.................254
19.2. Свариваемость и особенности технологии.......255
Глава 20. Титан и титановые сплавы....................262
20.1. Производство и свойства титана и его сплавов..262
20.2 Основные проблемы свариваемости.... . ,..269
20.3. Технологические особенности сварки...........272
Глава 21. Сварка разнородных металлов.................280
21.1. Проблемы свариваемости.......................280
21.2. Сварка плавлением стали с цветными металлами..286
21.3. Сварка разнородных цветных металлов и сплавов.293
Список литературы.....................................297
Высшее образование
Владимир Павлович Моисеенко
МАТЕРИАЛЫ И ИХ
ПОВЕДЕНИЕ ПРИ СВАРКЕ
Учебное пособие
Ответственный редактор Е. Алексеева
Технический редактор Л. Багрянцева
Обложка А. Вартанов
Корректоры Т. Краснолуцкая, Е. Кожевникова
Сдано в набор 15.11.2008. Подписано в печать 21.01.2009.
Формат 84X108 1/32. Бумага офсетная.
Гарнитура NewtonC. Печать офсетная.
Усл. п. л. 15,96. Тираж 2500 экз.
Заказ № 61.
ООО «Феникс»
344082, г. Ростов-на-Дону, пер. Халтуринский, 80.
Отпечатано с готовых диапозитивов в ЗАО «Книга».
344019, г. Ростов-на-Дону, ул. Советская, 57.
Качество печати соответствует предоставленным диапозитивам.
Торговый Дом еникс
ПРЕДЛАГАЕТ:
Около 100 новых книг каждый месяц
Более 3000 наименований книжной продукции
собственного производства
Более 1500 наименований обменной книжной продукции
от лучших издательств России
ОСУЩЕСТВЛЯЕТ:
Оптовую и розничную торговлю книжной продукцией
ГАРАНТИРУЕТ:
Своевременную доставку книг в любую точку страны, за счет
издательства, автотранспортом и ж/д контейнерами
Многоуровневую систему скидок
Реальные цены
Надежный доход от реализации книг нашего издательства.
Наш адрес: 344082, г. Ростов-на-Дону, пер. Халтуринский, 80
Наш сайт: http://www.Phoenixrostov.ru
Начальник отдела
Родионова Татьяна Александровна
e-mail: torgl52@aaanet.ru
ОТДЕЛ ОПТОВЫХ ПРОДАЖ
344082, г Ростов-на-Дону, пер. Халтуринский,80
Контактные телефоны: (863) 261-89-53, 261-89-54,
261-89-55, 261-98-56, 261-89-57.
Факс 261-89-58.
Заместитель начальника отдела
Мезинов Антон Николаевич
e-mail: torgl51@aaanet.ru
Менеджер по продажам
на территории Москвы,
Центра европейской части России
и республики Казахстан
Чермантеева Татьяна Степановна
e-mail: torgl55@aaanet.ru
Менеджер по продажам
на территории Урала
и Северо-Запада
Хомутецкая Екатерина
Владимировна
e-mail: torgl53@aaanet.ru
Менеджер по продажам
Бескровный Виктор Александрович
e-mail* ural@aaanet.ru
Менеджер по продажам
Франк Татьяна Викторовна
e-mail: sibir@aaanet.ru
Менеджер по продажам
на территории ближнего
и дальнего зарубежья
Ярута Игорь Игоревич
e-mail: torgl50@aaanet.ru
Менеджер по продажам
Федотова Ирина Петровна
e-mail: torg@aaanet.ru
Менеджер по продажам
Еременко Алла Сергеевна
e-mail: torgl80@aaanet.ru