Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Оборудование и технология сварочного производства»

Изучение влияния

Состава сварочных флюсов

На образование горячих трещин

Методические указания к лабораторной работе 9

по курсам «Физико-математические основы сварочных процессов»,

«Теория сварочных процессов»

для студентов специальностей 120500, 120900, 171300

всех форм обучения

Нижний Новгород

2006

Составитель Б.П. Конищев

УДК 621.791

Изучение влияния состава сварочных флюсов на образование горячих трещин: Метод. указания к лаб. работе 9 по курсам «Физико-математические основы сварочных процессов», «Теория сварочных процессов» для студентов специальностей 120500, 120900, 171300 всех форм обучения / НГТУ; Сост.: Б.П. Конищев. Н. Новгород, 2006.- 9 с.

Приводится методика исследования влияния состава сварочных флюсов на образование горячих трещин при дуговой сварке конструкционных сталей.

Редактор Э.Б. Абросимова

Подписано в печать

Формат 60х84 1/16. Бумага газетная. Печать офсетная. Усл. печ.л.

Уч.-изд.л. Тираж экз. Заказ .

Нижегородский государственный технический университет.

Типография НГТУ. 603600, Н.Новгород, ул. Минина, 24.

© Нижегородский государственный

технический университет, 2006

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ - исследование влияния состава плавленных флюсов при дуговой сварке на образование горячих трещин, вызываемых серой.

2. Теоретическая часть

Горячие трещины при сварке образуются на завершающей стадии кристаллизации металла шва по границам кристаллитов, находящихся в жидком состоянии.

Большое влияние на образование горячих трещин оказывает химический состав металла шва, т.к. он определяет состав, свойства и количество межкристаллических прослоек, и длительность их пребывания в жидком состоянии, характеризуемом малой пластичностью и большой хрупкостью.

Наиболее вредной примесью в сталях, сплавах никеля и др. металлах является сера. Она обладает неограниченной растворимостью в жидком железе и весьма малой растворимостью в твердом. Сера образует с железом легкоплавкий сульфид FeS (190°С) и сульфидную эвтектику Т_пл=985°С Fe-FeS (рис. 1). С никелем сера образует еще более легкоплавкий сульфид Ni₃S₂ (787°С) и эвтектику Ni-Ni₃S₂ с температурой плавления 644°С.

Рис. 1. Диаграмма плавкости Fe-FeS, Ni-Ni₃S₂

При затвердевании металла в результате избирательной кристаллизации легкоплавкие сульфиды и сульфидная эвтектика сосредоточивается по границам столбчатых кристаллитов в виде жидких прослоек, имеющих в температурном интервале хрупкости очень низкую пластичность.

Отрицательное влияние серы уменьшается введением в сварочную ванну марганца. Обладая большей химической активностью к сере по сравнению с железом, марганец связывает серу в сульфид MnS, который имеет высокую температуру плавления (1620°С) и не образует легкоплавких прослоек по границам кристаллитов.

Влияние марганца на предупреждение горячих трещин, вызываемых серой, зависит от содержания углерода в шве. На рис. 2 показано совместное влияние серы, углерода и марганца в металле углового шва на образование горячих трещин при _пр =1,5. Поле диаграммы выше данной прямой соответствует наличию, ниже - отсутствию горячих трещин.

Рис. 2. Совместное влияние S, C, Mn на образование горячих трещин

При малом содержании углерода в шве (С = 0,1 %) и небольшом содержании марганца (Мn = 0,4 %) критическое содержание серы, вше которого в шве образуются горячие трещины, составляет S_кр = 0,06 %. С увеличением углерода при том же количестве марганца критическое содержание серы снижается: при С = 0,12 %. S_кр = 0,04 %, а при С = 0,16 % S_кр = 0,01%. .При повышении марганца в шве критическое содержание серы наоборот увеличивается. Однако положительное влияние марганца с увеличением углерода в шве уменьшается. При С = 0,16% повышение марганца в шве с 0,4 до 0,8 % увеличивает критическое содержание серы только с 0,01 до 0,02 %.

Сера переходит в металл шва из основного и электродного металлов, а также из электродных покрытий и сварочных флюсов. Во всех перечисленных материалах содержание серы ограничивается и ее количество обусловливается лишь сложностью и дороговизной очистки шихтовых материалов.

Задача технологии сварки заключается в сведении содержания серы до минимума, обеспечивающего высокую стойкость металле шва против образований горячих трещин. По действующим стандартам в зависимости от качества стали содержание серы ограничивается величинами, указанными в таблице 1.

Таблица 1

Стандарт	Степень качества	Марки сталей	S, % не более
ГОСТ 380-2005	обыкновенного качества	Ст. 2кп, Ст.2пс, Ст.2сп Ст. 3кп, Ст. 3пс, Ст. 3сп и др.	0,05
ГОСТ 1050-88	качественные	20кп, 20пс, 20, 25, 30, 35 и др.	0,04
ГОСТ 19281-89	качественные	09Г2С, 10ХСНД, 14ХГС и др.	0,035
ГОСТ 4543-71	качественные	15Х, 20Г, 18ХГ, 20ХН и др.	0,035
	высококачественные	15ХА, 20ГА, 18ХГА и др.	0,025
	особокачественные	15Х-Ш, 20Г-Ш, 18ХГ-Ш и др.	0,015
ГОСТ 5632-72		12Х13, 12Х21Н5Т, 09Х15Н9Ю	0,025
		08Х17Н6Т, 10Х14Г14Н4Т	0,02
		09Х16Н4Б, 03Х16Н15М3Б	0,015
		10Х11Н23Т3МР	0,01
ГОСТ 2246-70	обыкновенного качества	Св-08	0,04
	качественные	Св-08А	0,03
		Св-08ГА, СВ-10НМА, Св-18ХМА	0,025
	высококачественные	Св-08АА, Св-08ХН2ГМТА	0,02
		Св-13Х25Н18, Св-01Х19Н9	0,015

Рафинированные высоколегированные стали и сплавы ГОСТ 5632-72, полученные специальными методами, дополнительно обозначается через тире в конце наименования марки буквами: Ш - электрошлаковый переплав, ШД - электрошлаковый переплав с последующим вакуумно-дуговым переплавом, ШЛ - электрошлаковый переплав с последующим электроннолучевым переплавом, ШП – электрошлаковый переплав с последующим плазменно-дуговым переплавом, ПШ - плазменная выплавка с последующим электрошлаковым переплавом, и др.

Исключение составляют конструкционные стали высокой обрабатываемости резанием (автоматные стали) по ГОСТ 1414-75, содержание серы в которых увеличено до 0,15 – 0,35%: А11, А40Г, АС14, АС45Г2 и др.

В сварочных проволоках ГОСТ 2246-70 содержание серы более ограничено, чем в сталях (табл. 1).

Содержание серы в никеле (ГОСТ 849-70) ограничивают до 0,001 -0,003%, никелевых сплавах (ГОСТ 412-72, ГОСТ 5632-72) - до 0,005 -0,01%.

Содержание серы в электродных покрытиях и сварочных флюсах тоже ограничивается, но более высокими пределами. В таблице 2 приведены предельные концентрации серы, допускаемые в сварочных плавленных флюсах, по ГОСТ 9087-81.

Таблица 2

Марка флюса	Состав, %
	SiO2	MnO	CaF2	CaO	MgO	Al2O3	Fe2O3 не более	S не более	P не более
ОСЦ-45	38-44	38-44	9	6,5	2,5	5,0	2	0,15	0,15
АН-348А	41-44	34-38	4-5,5	6,5	5-75	4,5	2	0,15	0,12
АН-60	42,5-46,5	36-41	5-8	3-11	0,5-3	5,0	1,5	0,15	0,15
АН-26С	29-33	2,5-4	20-24	4-8	15-18	19-23	1,5	0,1	0,1
АН-20С	19-24	до 0,5	25-33	3-9	9-13	27-32	1	0,08	0,05
АН-15	24-29	1,5-25	20-23	14-18	8-11	22-25	0,85	0,08	0,05

В зависимости от температуры и концентрационных условий сера может переходить из шлака в металл и наоборот. Наиболее благоприятны условия для перехода серы из шлака в металл, когда сера находится в шлаке в виде сульфида железа, хорошо растворимого в жидком шлаке:

(FeS) [FeS]

В высокомарганцевых флюсах (MnO > 30 %) большая часть серы связана в сульфид марганца, не растворимый в железе. Переход серы из шлака в металл возможен в результате протекания реакций (1) и (2) вправо

(MnS) + [Fe] = ([FeS]) + [Mn] - Q₁, ( 1 )

(MnS) + ([FeO]) = ([FeS]) + [MnO] - Q₂. ( 2 )

Константу равновесия реакции (2) можно приближенно рассчитать по уравнению

. ( 3 )

Переходу серы из шлака в металл способствуют, с одной стороны, увеличение температуры, исходной концентраций серы в шлаке, оксида железа в металле и шлаке, с другой стороны, уменьшение исходной концентрации серы и марганца в металле, активности МnО в шлаке.

Высокотемпературные условия дуговой сварки способствуют протеканию реакций (1) и (2) вправо. В низкотемпературной зоне эти реакции не успевают пройти обратно (влево). Однако протекание реакций вправо можно затормозить повышением исходной концентрации Mn в металле и активности МnО в шлаке.

Десульфурация металла шлаком возможна при использовании основных шлаков, содержащих СаО, MgO, BaO, K₂O, Na₂O, Li₂O и др.

[FeS] + (CaO) = ([FeO]) + (CaS). ( 4 )

Протеканию этой реакции вправо будет способствовать уменьшение кислотности шлака и повышение активности основных оксидов, а также раскисление металла и шлака. Кроме того, для успешного протекания реакции десульфурации необходимо разжижать шлак, вводя в электродные покрытия или сварочные флюсы плавиковый шпат CaF₂ или другие компоненты.

Вредное влияние серы, остающейся в шве, можно нейтрализовать, связывая её в тугоплавкие сульфиды более активными к сере элементами по сравнению с железом. К таким элементам относятся Се, Zr, Ti, Nb, V, Mo, W, Cr, Mn. С этой целью чаще используется Mn как более распространенный и дешевый легирующий элемент. С повышением содержания Mn в шве изменяется состав сульфидной фазы (увеличивается отношение MnS/FeS). Благодаря этому повышается стойкость шва против горячих трещин. В табл. 3 приведены данные о влиянии состава флюса и содержания Мn в металле на состав сульфидной фазы в шве и критическое содержание серы в металле шва, выше которого наблюдается образование горячих трещин при сварке жестких тавров.

Таблица 3

№ флюса	Состав флюса, %							Содержание, %		Состав фазы, %		Sкр, %
	SiO2	MnO	CaF2	CaO	MgO	Al2O3	FeO	[Mn]и	[Mn]ш	FeS	MnS
1	47	-	8,8	28,5	8,1	6,9	0,6	0,5	0,35	87	13	0,02
2	47	-	8,8	28,5	8,1	6,9	0,6	1,3	0,9	32	68	0,05
3	44	16	6	19,1	14	1,4	1,4	0,5	0,5	51	49	0,03
4	42.4	45	8,2	1,8	1	1,6	0,6	0,5	0,7	3	97	0,068