Конструкционные материалы. Свариваемость и сварка

обходим общий или местный отпуск при 600–650 °С для предупреждения образования холодных трещин. Сварку аустенитными материалами производят без предварительного подогрева и последующей термообработки соединений.

Таблица 4 . 1 7

Присадочные материалы при сварке под флюсом и механические свойства сварных соединений

101

Узлы в виде толстостенных труб различного диаметра из сталей 30ХГСНА и 40ХГСН3МА, предназначенные для ответственных силовых конструкций, изготавливают многослойной сваркой под флюсом АН-15 и АН-15М проволокой Св-20Х4ГМА диаметром 2,5–3 мм. Дальнейшее существенное увеличение производительности возможно при сварке с применением двух и более проволок.

4.3. ОБЩИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО СВАРКЕ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ

При разработке технологического изготовления сварных конструкций из высокопрочных сталей необходимо предусмотреть следующие рекомендации:

1.Правку, вальцовку, штамповку и другие операции формообразования заготовок под сварку нужно выполнять в отожженном состоянии.

2.Подготовку свариваемых кромок нужно выполнять на металлорежущих станках, что обеспечивает необходимую точную сборку и отсутствие изменения структуры металла в местах реза.

3.Поверхность металла в зоне сварки очищают от окалины, ржавчины, а также от влаги. Зачистку производят на участке шириной не менее 15 мм от стыка.

4.В случае сварки деталей, упрочненных термической обработкой, подготовку кромок под сварку и их зачистку следует выполнять после термической обработки для обеспечения необходимой точности сборки свариваемых деталей.

5.При сборке деталей под сварку необходимо обеспечить надежное закрепление заготовок относительно друг друга. При этом смещение кромок должно быть минимальным и не превышать 10 % свариваемой толщины. Зазоры должны быть минимальными

ипостоянными по величине, приспособление должно обеспечить фиксирование деталей, предупреждая изменения зазора и смещение кромок в процессе сварки.

6.При необходимости прихваток их размер и расположение должны обеспечить необходимую прочность и возможность пол-

102

ной переплавки при наложении основных швов. Металл прихваток не должен иметь пор и трещин.

7.Сварку среднеуглеродистых сталей следует выполнять так, чтобы снизить содержание С в металле шва, что достигается применением присадочных проволок с низким содержанием С и уменьшением доли основного металла в металле шва.

Следует также обеспечить получение шва с большим коэффициентом формы, выбрать режим сварки и число слоев с учетом получения минимальной зоны термического влияния, предупреждения опасного роста зерна в зоне перегрева и по возможности отсутствия закалочных структур.

8.Поскольку перечисленные мероприятия не могут полностью гарантировать отсутствие закалочных структур в зоне термического влияния, для получения высоких пластических свойств после сварки производят термическую обработку: отпуск или закалку

сотпуском.

Сварку конструкций из высокопрочных сталей нельзя проводить на сквозняке и при низких температурах.

Не допускаются резкие переходы от металла шва к основному металлу.

4.4. НИЗКОЛЕГИРОВАННЫЕ МАРТЕНСИТНЫЕ СТАЛИ

При изготовлении сварных конструкций из высокопрочных сталей возникают трудности, связанные с тем, что:

– для получения высокой прочности необходима закалка

вжидких средах;

–стали содержат большое количество углерода;

–неизбежна деформация при закалке;

–свариваемостьв термоупрочненномсостоянии ограничена.

В технологии машиностроения применяют три основных маршрута – последовательности операций при изготовлении сварных конструкций из высокопрочных сталей:

1. Сваривают элементы в отожженном состоянии, затем проводят упрочняющую термическую обработку.

103

2.Сваривают элементы в термоупрочненном состоянии, затем отпускают для снятия напряжений.

3.Изготавливают по смешанной технологии, т.е. сваривают элементы подузлов в отожженном состоянии, после упрочняющей термическойобработкисвариваютстыковымишвамиотдельныеподузлы.

Разработан новый класс низколегированных мартенситных сталей (НМС), обладающих повышенными технологическими свойствами по сравнению с традиционными конструкционными сталями

иповышенной прочностью σ0,2 = 800…1000 МПа. Химический состав и механические свойства некоторых низколегированных мартенситных сталей представлены в табл. 4.18 и 4.19 соответственно.

Таблица 4 . 1 8 Химический состав низколегированных мартенситных сталей

Таблица 4 . 1 9 Механические свойства низколегированных мартенситных сталей

Низколегированные мартенситные стали:

–позволяют совмещать процесс горячего деформирования

сзакалкой на воздухе;

–хорошо свариваются в термоупрочненном и отожженном состоянии всеми способами сварки;

–не требуют предварительного подогрева и ограничений по времени между сваркой и отпуском;

–не склонны к образованию холодных и горячих трещин.

104

Эти стали закаливаются при охлаждении на воздухе. Они не склонны к деформации при закалке и сварке, хорошо деформируются в закаленном состоянии, подвергаются поверхностному упрочнению всеми видами химико-термической обработки. Низколегированные мартенситные стали характеризуются глубокой прокаливаемостью, высокой ударной вязкостью, низкой температурой хрупкости. НМС выпускают в виде листа, ленты, сортового проката, проволок, труб.

Важной особенностью этих сталей является отсутствие превращения в области температуры, соответствующей образованию верхнего бейнита (рис. 4.5). Температура мартенситного превращения (Мн) почтина100 °Свыше Мн для среднеуглеродистыхсталей(400 °С

для07ХЗГНМ, 08Х2Г2Ф, 12Х2Г2НМФи300 °Сдля35XH3M).

Рис. 4.5. Диаграммы изотермического превращения: для НМС (–) и среднеуглеродистых сталей (–)

Структура низколегированных мартенситных сталей представляет собой пакетный мартенсит: тонкие реечные кристаллы, разделенные малоугловыми границами и содержащие дислокации, плотность которых составляет 1010–12 см–2, в значительной мере определяют механические свойства закаленной стали. Высокая плотность дислокаций обеспечивает прочность σ0,2 выше 800–1000 МПа,

105

а их подвижность – пластичность и вязкость. В структуре отсутствуют перлит и верхний бейнит, повышающие склонность к хрупкому разрушению.

Высокая температура мартенситного превращения (380–420 °С) способствует релаксации напряжений в ходе охлаждения. Малый объемный эффект при γ→α-превращении, обусловленный малым содержанием углерода, низкие тепловые напряжения, возникающие при медленном охлаждении на воздухе, обеспечивают бездеформационную закалку, устраняют опасность возникновения трещин. Склонность к деформации у низколегированных мартенситных сталей в 5–10 раз ниже, чем у сталей, содержащих 0,3–0,4 % углерода. Эти жефакторыобусловливаютхорошуюсвариваемость.

Особенности структурного состояния и фазового превращения гарантируют благоприятное сочетание высоких характеристик прочности, пластичности и вязкости и делают целесообразным применение низколегированных мартенситных сталей для изготовления

Высокопрочные сварные конструкции

Благоприятное сочетание механических свойств низкоуглеродистого мартенсита и возможность его получения в широком диапазоне скоростей охлаждения обусловливают хорошую свариваемость низколегированных мартенситных сталей в закаленном и отожженном состоянии. У низколегированных мартенситных сталей отсутствует хрупкость в свежезакаленном состоянии.

Оценка склонности к образованию горячих трещин в сварных соединениях на пробах Холдкрофта («рыбья кость») и Болленрата показала, что даже при сварке в термоупрочненном состоянии трещины не образуются.

Отсутствует также склонность к холодным трещинам и к задержанному разрушению, что было проверено в условиях двухосного растяжения в нагружающем устройстве ЛТП2-5 (методика

106

МГТУ им. Н.Э. Баумана). Низколегированные мартенситные стали сваривали в термоупрочненном состоянии.

Механические свойства сварных соединений низколегированных мартенситных сталей в термоупрочненном состоянии обеспечиваются непосредственно после сварки и после отпуска, применение которого целесообразно только для снятия напряжений в сложных конструкциях (табл. 4.20).

Низколегированные мартенситные стали предназначены для изготовления сварных конструкций с прочностью σв > 800…1200 МПа: грузоподъемных механизмов, стрел, опор, ферм, мостовых конструкций, трубопроводов. Руководящим документом РД 22-16–88 «Указания по выбору материалов для изготовления сварных стальных конструкций грузоподъемных кранов» разрешено применение низколегированных мартенситных сталей в условиях Крайнего Севера (до –70 °С).

Таблица 4 . 2 0 Свойства сварных соединений стали 07ХЗГНМ

Технология изготовления сварных конструкций из низколегированных мартенситных сталей существует в двух вариантах:

1) изготовление свариваемых элементов в отожженном состоянии → сборка и сварка конструкций → бездеформационная упрочняющая термообработка (закалка на воздухе и отпуск) в сборке;

107

2) изготовление термоупрочненных свариваемых элементов из листа, труб, закаленных на металлургическом заводе → сборка и сварка конструкции → отпуск.

Оба варианта реализуют высокие технологические свойства низколегированных мартенситных сталей, обусловленные структурой сталей:

–закаливаемость на спокойном воздухе с обеспечением прочности, на 20–25 % превышающей прочность известных отечественных сварных конструкций и на 15 % – зарубежных;

–хорошую свариваемость в термоупрочненном и отожженном состоянии всеми способами сварки;

–отсутствие склонности к холодным и горячим трещинам;

–отсутствие деформации при термическом упрочнении;

–исключение экологически вредных закалочных жидких сред;

–возможность принятия оригинальных конструкторских решений с учетом технологических особенностей низколегированных мартенситных сталей.

Технология изготовления низколегированных мартенситных сталей в отличие от существующей технологии изготовления термоупрочненных конструкций из традиционных сталей позволяет:

–повысить прочность σ0,2 с 600 до 1000 МПа и гарантировать при этом надежность и качество сварных соединений;

–обеспечить бездеформационную термообработку;

–сократить трудоемкость сборочно-сварочных работ благодаря высокой точности свариваемых элементов, исключению правки, подогрева под сварку, сокращению объема термообработки, контролю механических свойств, объема межцеховых перевозок.

Применение низколегированных мартенситных сталей снижает вес конструкций на 10–30 %, сокращает трудоемкость изготовления на 20–50 %.

108

5. ПРИНЦИПЫ ЛЕГИРОВАНИЯ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ

5.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ

Согласно ГОСТ 5632–72 к высоколегированным сталям относят сплавы, в которых содержание железа составляет более 45 %, суммарная массовая доля легирующих элементов не менее 10 % при массовой доле одного из элементов не менее 8 %.

В зависимости от основных свойств стали и сплавы подразделяют на группы:

1.Коррозионностойкие (нержавеющие) стали и сплавы, обла-

дающие стойкостью против электрохимической и химической коррозии (атмосферной, почвенной, щелочной, кислотной, солевой), межкристаллитной коррозии, коррозии под напряжением и др.

Основным легирующем элементов данных сталей является хром с содержанием более 12 %. Для сталей, стойких к атмосферной коррозии, содержание хрома увеличивается до 15 %, для кислотостойких сталей – более 16 %.

2.Жаростойкие (окалиностойкие) стали и сплавы, обладаю-

в ненагруженном или слабонагруженном состоянии.

Стали, обладающие жаростойкостью до 900 °С, содержат до

18 % хрома (12Х17, 08Х17Т, 10Х13СЮ и др.), до 1100 °С – более 25 % хрома (15Х28, 15Х25Т и др.).

3. Жаропрочные стали и сплавы, способные работать в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью.

Например, жаропрочныестали, работающиепритемпературах:

– 585–610 °С – 18Х12ВМБФР, 15Х12ВНМФ и др.;

109

–до 650 °С – 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т и др.;

–до 800 °С – 10Х23Н18, 12Х25Н16 и др.

В зависимости от основной структуры, полученной при охлаждении сталей на воздухе после высокотемпературного нагрева (в нормализованном состоянии), стали подразделяют на классы:

1.Мартенситный – стали с основной структурой мартенсита

(20Х13, 30Х13, 40Х13, 15Х11МФ, 18Х11МНФБ, 20Х12ВНМФидр.).

2.Мартенситно-ферритный – стали, содержащие в структуре кроме мартенсита не менее 10 % феррита (12Х13, 14Х17Н2, 09Х16Н4Б, 15Х12ВНМФ, 18Х12ВМБФР и др.).

3.Ферритный – стали, имеющие структуру феррита, без

α→γ-превращений (08Х13, 12Х17, 08Х17Т, 15Х25Т, 15Х28 и др.).

4.Аустенитно-мартенситный – стали, имеющие структуру аустенита и мартенсита, количество которых можно изменять в широ-

ких пределах (07Х16Н6, 08Х17Н5М3, 09Х15Н8Ю, 09Х17Н7Ю, 20Х13Н4Г9 и др.).

5.Аустенитно-ферритный– стали, имеющие структуру аустенита и феррита, где феррита более 10 % (08Х18Г8Н2Т, 08Х21Н6М2Т, 20Х23Н13, 08Х22Н6Тидр.).

6.Аустенитный – стали, имеющие структуру аустенита

(08Х18Н10, 08Х18Н10Т, 12Х18Н9, 17Х18Н9, 10Х14Г14Н4Т, 10Х14АГ15, 03Х17Н14М3, 07Х21Г7АН5, 08Х10Н20Т2 и др.).

В зависимости от системы легирования высоколегированные стали делятся:

–на хромистые;

–хромоникелевые;

–хромомарганцевые;

–хромоникелевомарганцевые.

Основными легирующими элементами высоколегированных сталей являются хром и никель. Они определяют структуру и свойства сталей. Также в качестве легирующих элементов применяются кремний, вольфрам, молибден, никель, титан, бор и др., которые позволяют получить особые свойства у высоколегированных сталей и сплавов: повышенную прочность, жаропрочность, жаростойкость, стойкость против коррозии и т.п.

110