3.1. Стали
Стали самый широко применяемый материал в различных сварных конструкциях - строительных металлоконструкциях, технологических аппаратах и трубопроводах химической, нефтяной, нефтеперерабатывающей промышленности и энергетики, магистральных трубопроводах, судостроении, автостроении, машиностроении и др.
Среди многих элементов, которые могут входить в состав стали, наибольшее влияние на свойства оказывает углерод, поэтому сталь рассматривают прежде всего как сплав железа с углеродом.
В настоящее время существует огромное количество марок сталей обладающих различными свойствами. Как правило, каждый новый материал разрабатывается для конкретного изделия и обладает своими специфическими физико-химическими свойствами. В большинстве случаев для отечественных марок сталей имеются зарубежные аналоги.
Стали можно разделить на углеродистые и легированные (рис. 3.1), которые в свою очередь разделяются на соответствующие стали по степени содержания углерода и легирующих элементов, а также по свойствам и применению.
Углеродистые стали в зависимости от степени раскисления при металлургическом процессе изготовления её могут иметь индексы «кп» — (кипящая сталь), «сп» (спокойная сталь) и «пс» (полуспокойная сталь). Для кипящей стали
|
|
|
|
Стали |
|
|
| |||
|
|
|
|
|
|
|
| |||
|
|
Углародистые |
|
|
|
Л |
| |||
|
|
|
|
|
|
|
| |||
|
Обыкновенного качества |
Качественные |
|
Низко-легированные |
Средне-легированные |
Высоко-легированные | ||||
егированные
Рис. 3.1. Классификация сталей для сварных конструкций.
характерно весьма неравномерное распределение таких примесей как сера и фосфор.В следствие этого возникает опасность охрупчивания металла при отрицательных температурах, а при сварке к образованию горячих трещин. Поэтому кипящие стали для ответственных сварных конструкциях применять не рекомендуется. Для таких конструкций предназначены спокойные и полуспокойные стали.
Углеродистая сталь обычного качества (табл.3.1.) поставляется по ГОСТ 380-71. Поставка может осуществляться по трем группам, каждая из которой обозначается буквами в начале марки стали:
А — не имеет химического анализа и поставляется по механическим свойствам, в сварных конструкциях не используется;
Б — поставляют по химическому составу;
В — поставляют по химическому составу и механическим свойствам.
Содержание вредных для сварки примесей для сталей обыкновенного качества: S 0,05% и Р0,04%. Химический состав таких сталей как ВСт2сп и ВСт3сп (соответственно): С – 0,09 - 0,15% и 0,14 - 0,22%; Mn – 0,25 - 0,5% и 0,4 - 0,65%; Si – 0,05-0,17% и 0,12 - 0,3%. Механические свойства сталей ВСт2сп и ВСт3сп (соответственно): в 340 МПа и 380МПа; 02 220 МПа и 240 МПа; 31% и 25%.
Углеродистые качественные стали, содержат пониженное количество серы, а содержание марганца в них достигает 1% (поставка по ГОСТ 1050-79). Применение таких сталей, их химический состав и механические свойства приведены в талб.3.2 – 3.4.
Таблица 3.1. Применение углеродистой стали обыкновенного качества
|
Марка стали |
Применение |
Сваривае-мость |
|
Ст0 |
Для изготовления сварных строительных конструкций неответственного назначения: прокладки, шайбы, ограждения, кожухи. |
хорошая |
|
Ст1 |
Малонагруженные детали металлоконструкций: жесткие связи, заклепки, шайбы, шплинты, прокладки, кожухи, штампованные детали. |
хорошая |
|
Ст2 ВСт2сп |
Детали металлоконструкций: рамы тележек, связки, кольца, заклепки, валики, оси, кулачки, не испытывающие больших напряжений, ключи, шайбы, цементуемые детали. |
Хорошая |
|
Ст3 ВСт3сп |
Детали металлоконструкций - рамы тележек. Цементуемые и цианируемые детали, от которых требуется высокая твердость поверхности и невысокая прочность сердцевины: крюки кранов, связки, кольца, цилиндры, гайки, тяги, шатуны, крышки. |
Хорошая |
|
Ст4 |
Детали металлоконструкций: валы, оси, тяги, крюки, серьги, рычаги, болты, клинья, шпонки и другие детали при невысоких требованиях к прочности. |
Удовлетвори-тельная |
|
Ст5 |
Валы, оси, пальцы, звездочки, упоры подшипников, рычаги тормозные, болты, гайки, шайбы, шатуны, тяги, крюки, клинья, чеки, зубчатые колеса, шпонки и другие детали при повышенных требованиях к прочности. |
Удовлетвори-тельная |
|
Ст6 |
Валы, оси, бойки молотов, шпиндели, муфты кулачковые и фрикционные, пластины цепей, тормозные ленты и детали, требующие высокой прочности. |
Ограниченная |
|
Ст7 |
То же, а также детали, подвергаемые интенсивному износу. |
Плохая |
Таблица 3.2. Применение конструкционной углеродистой качественной стали
|
Марка стали |
Применение |
Сваривае-мость | ||
|
08 кп, 10 |
Детали, изготовляемые штамповкой и холодной высадкой, трубки, прокладки, мелкие крепежные детали, колпачки. Цементуемые и цианируемые детали, не требующие высокой прочности сердцевины: втулки, валики, упоры, копиры, зубчатые колеса, фрикционные диски. |
Хорошая | ||
|
15, 20 |
Малонагруженные детали: валики, втулки, пальцы, упоры, копиры, оси, шестерни. Тонкие детали, работающие на истирание, фрикционные диски и др. Рычаги, крюки, траверсы, вкладыши, болты, стяжки. |
Хорошая | ||
|
30, 35 |
Крепежные детали, штифты, упоры, кольца клапанов, шатуны, крышки, шлицевые валики, ручки, тяги. |
Удовлетво-рительная | ||
|
40, 45 |
Детали, требующие более высокой прочности при средней вязкости: валы коленчатые, распределительные и шпиндели станков, шлицевые валики, штоки, червячные валы, вилки, кронштейны, цилиндры, храповики, стопоры, фиксаторы, упоры, шестерни малонагруженные, муфты, крепеж, пальцы, сухари. |
Ограничен-ная | ||
|
50, 55 |
Детали высокой прочности: зубчатые колеса, штоки, валы, оси, прокатные валки, эксцентрики, неответственные пружины. |
Плохая | ||
|
60 |
Эксцентрики, прокатные валки, бандажи, пружинные кольца, шайбы дисков сцепления, прокладки. |
Плохая | ||
|
15Г |
Применяется для той же группы деталей, что и сталь 15. |
Хорошая | ||
|
ЗОГ |
Детали, подвергающиеся истиранию: оси, валы, зубчатые колеса, вилки, рычаги, крепеж. |
Ограничен-ная | ||
|
40Г, 45Г, 50Г |
То же при действии высоких нагрузок: диски трения, валы, анкерные болты, полуоси, шпильки. |
Плохая | ||
Таблица 3.3. Химический состав конструкционной углеродистой качественной стали
|
Марки стали |
Содержание элементов, % (остальное— железо) | ||||||
|
углерод |
кремний |
марганец |
фосфор |
сера |
хром |
никель | |
|
не более | |||||||
|
08 кп |
0,05 - 0,11 |
0,03 |
0,25 - 0.50 |
0,040 |
0,040 |
0,10 |
0,25 |
|
08 |
0,05 - 0,12 |
0,17 - 0,37 |
0.35 - 0,65 |
0.035 |
0,040 |
0,10 |
0,25 |
|
10 кп |
0,07 - 0,14 |
0,07 |
0,25 - 0,50 |
0.040 |
0,040 |
0,15 |
0,25 |
|
10 |
0,07 - 0,14 |
0,17 - 0,37 |
0,35 - 0,65 |
0,035 |
0,040 |
0,15 |
0,25 |
|
15 кп |
0,12 - 0,19 |
0,07 |
0,25 - 0,50 |
0,040 |
0,040 |
0,25 |
0.25 |
|
15 |
0,12 - 0,19 |
0,17 - 0,37 |
0,35 - 0,65 |
0,040 |
0,040 |
0,25 |
0,25 |
|
20 кп |
0,17 - 0,24 |
0,07 |
0,25 - 0,50 |
0,040 |
0,040 |
0,25 |
0,25 |
|
20 |
0,17 - 0,24 |
0,17 - 0.37 |
0,35 - 0,65 |
0,040 |
0,040 |
0,25 |
0,25 |
|
25 |
0,22 - 0,30 |
0,17 - 0,37 |
0,50 - 0,80 |
0,040 |
0,040 |
0,25 |
0,25 |
|
30 |
0,27 - 0,35 |
0,17 - 0,37 |
0,50 - 0,80 |
0,040 |
0,040 |
0,25 |
0,25 |
|
35 |
0,32 - 0,40 |
0,17 - 0,37 |
0,50 - 0,80 |
0,040 |
0,040 |
0,25 |
0,25 |
|
40 |
0,37 - 0,45 |
0,17 - 0,37 |
0,50 - 0,80 |
0.040 |
0,040 |
0,25 |
0.25 |
|
45 |
0,42 - 0,50 |
0.17 - 0.37 |
0,50 - 0,80 |
0,040 |
0,040 |
0,25 |
0,25 |
|
50 |
0,47 - 0.55 |
0,17 - 0,37 |
0,50 - 0,80 |
0,040 |
0,040 |
0,25 |
0.25 |
|
55 |
0,52 - 0,60 |
0.17 - 0.37 |
0,50 - 0,80 |
0,040 |
0,040 |
0,25 |
0,25 |
|
60 |
0,57 - 0,65 |
0,17 - 0.37 |
0,50 - 0,80 |
0,040 |
0,040 |
0,25 |
0,25 |
|
15Г |
0,12 - 0,19 |
0,17 - 0,37 |
0,70 - 1,00 |
0,040 |
0,040 |
0,25 |
0,25 |
|
20Г |
0,17 - 0,24 |
0,17 - 0,37 |
0,70 - 1,00 |
0,040 |
0,040 |
0,25 |
0,25 |
|
25Г |
0,22 - 0,30 |
0,17 - 0,37 |
0,70 - 1,00 |
0,040 |
0,040 |
0,25 |
0,25 |
|
ЗОГ |
0,27 - 0,35 |
0,17 - 0,37 |
0,70 - 1,00 |
0,040 |
0,040 |
0,25 |
0,25 |
|
35Г |
0,32 - 0,40 |
0,17 - 0,37 |
0,70 - 1,00 |
0,040 |
0,040 |
0,25 |
0,25 |
|
40Г |
0,37 - 0,45 |
0,17 - 0,37 |
0,70 - 1,00 |
0,040 |
0,040 |
0,25 |
0,25 |
|
45Г |
0,42 - 0,50 |
0,17 - 0,37 |
0,70 - 1,00 |
0,040 |
0,040 |
0,25 |
0,25 |
|
50Г |
0,48 - 0,56 |
0,17 - 0,37 |
0,70 - 1,00 |
0,040 |
0,040 |
0,25 |
0,25 |
Таблица 3.4. Механические свойства конструкционной углеродистой качественной стали после нормализации
|
Марки стали |
Предел текучести |
Временное сопротивление |
Относительное удлинение |
Относительное сужение |
Твердость в состоянии поставки, НВ | |
|
МПа, не менее |
%, не менее |
Горяче-катаная |
Отожжен-ная | |||
|
08 кп |
180 |
300 |
35 |
60 |
131 |
- |
|
08 |
200 |
330 |
33 |
60 |
131 |
- |
|
10 кп |
190 |
320 |
33 |
55 |
137 |
- |
|
10 |
210 |
340 |
31 |
55 |
137 |
- |
|
15 кп |
210 |
360 |
29 |
55 |
143 |
- |
|
15 |
230 |
380 |
27 |
55 |
143 |
- |
|
20 кп |
230 |
390 |
27 |
55 |
156 |
- |
|
20 |
250 |
420 |
25 |
55 |
156 |
- |
|
25 |
280 |
460 |
23 |
50 |
170 |
- |
|
30 |
300 |
500 |
21 |
50 |
179 |
- |
|
35 |
320 |
540 |
20 |
45 |
187 |
- |
|
40 |
340 |
580 |
19 |
45 |
217 |
187 |
|
45 |
360 |
610 |
16 |
40 |
241 |
197 |
|
50 |
380 |
640 |
14 |
40 |
241 |
207 |
|
55 |
390 |
660 |
13 |
35 |
255 |
217 |
|
60 |
410 |
690 |
12 |
35 |
255 |
229 |
|
15Г |
250 |
420 |
26 |
55 |
163 |
- |
|
20Г |
280 |
460 |
24 |
50 |
197 |
- |
|
25Г |
300 |
500 |
22 |
50 |
207 |
- |
|
30Г |
320 |
550 |
20 |
45 |
217 |
187 |
|
35Г |
340 |
570 |
18 |
45 |
229 |
197 |
|
40Г |
360 |
600 |
17 |
45 |
229 |
207 |
|
45Г |
380 |
630 |
15 |
40 |
241 |
217 |
|
50Г |
400 |
660 |
13 |
40 |
255 |
217 |
Низколегированные стали имеют большое количество марок, в качестве легирующих добавок применяют Mn, Si, Cu, V, Nb и др. Яркими представителями этих сталей являются 10ХСНД (02 400 МПа) и 09Г2С (о02 350 МПа). Химический состав и механические свойства некоторых наиболее употребляемых марок низкоуглеродистых и низколегированных сталей приведены в табл. 3.5 и 3.6.
Для изготовления конструкций ответственного назначения используются стали, при производстве которых применяется микролегированные. Такая технология позволяет обеспечивают высокую прочность и сопротивляемость хрупкому разрушению металла.
Таблица 3.5. Химический состав низколегированной конструкционной стали (ГОСТ 5058)
|
Марки стали |
Химический состав, % (остальное- железо) | ||||||||||
|
углерод |
кремний |
марганец |
хром |
никель |
медь | ||||||
|
не более | |||||||||||
|
Сталь для металлоконструкций | |||||||||||
|
14Г |
0,12 - 0,18 |
0,17 - 0,37 |
0,70 - 1,00 |
0,30 |
0,30 |
0,30 | |||||
|
19Г |
0,16 - 0,22 |
0,17 - 0,37 |
0,80 - 1,15 |
0,30 |
0,30 |
0,30 | |||||
|
09Г2 |
< 0,12 |
0,17 - 0,37 |
1,40 - 1,80 |
0,30 |
0,30 |
0,30 | |||||
|
14Г2 |
0,12 - 0,18 |
0,17 - 0,37 |
1,20 - 1,60 |
0,30 |
0,30 |
0,30 | |||||
|
18Г2 |
0,14 - 0,20 |
0,25 - 0,55 |
1,20 - 1,60 |
0,30 |
0,30 |
0,30 | |||||
|
12ГС |
0,09 - 0,15 |
0,50 - 0,80 |
0,80 - 1,20 |
0,30 |
0,30 |
0,30 | |||||
|
16ГС |
0,12 - 0,18 |
0,40 - 0,70 |
0,90 - 1,20 |
0,30 |
0,30 |
0,30 | |||||
|
17ГС |
0,14 - 0,20 |
0,40 - 0,60 |
1.00 - 1,40 |
0,30 |
0,30 |
0,30 | |||||
|
09Г2С . |
0,12 |
0,50 - 0,80 |
1,30 - 1,70 |
0,30 |
0,30 |
0,30 | |||||
|
10Г2С1 |
0,12 |
0,90 - 1,20 |
1,30 - 1,65 |
0,30 |
0,30 |
0,30 | |||||
|
15ГФ |
0,12 - 0,18 |
0,17 - 0,37 |
0,90 - 1,20 |
0,30 |
0,30 |
0,30 ванадий 0,05 - 0,10 | |||||
|
14ХГС |
0,11 - 0,16 |
0,40 - 0,70 |
0,90 - 1,30 |
0,50 - 0,80 |
0,30 |
0,30 | |||||
|
15ХСНД |
0,12 - 0,18 |
0,40 - 0,70 |
0,40 - 0,70 |
0,60 - 0,90 |
0,30 - 0,60 |
0,20 - 0,40 | |||||
|
10ХСНД |
< 0,12 |
0,80 - 1,10 |
0,50 - 0,80 |
0,60 - 0,90 |
0,50 - 0,80 |
0,40 - 0,65 | |||||
|
Сталь для армирования железобетонных конструкций | |||||||||||
|
35ГС |
0,30 - 0,37 |
0,60 - 0,90 |
0,80 - 1,20 |
0,30 |
0,30 |
0,30 | |||||
|
18Г2С |
0,14 - 0,23 |
0,60 - 0,90 |
1,20 - 1,60 |
0.30 |
0,30 |
0,30 | |||||
|
25Г2С |
0,20 - 0,29 |
0,60 - 0,90 |
1,20 - 1,60 |
0,30 |
0,30 |
0,30 | |||||
|
20ХГ2Ц |
0,19 - 0,26 |
0,40 - 0,70 |
1,50 - 1,90 |
0,90 - 1,20 |
0,30 |
0,30 цирконий 0,07 - 0,14 | |||||
Таблица 3.6. Механические свойства низколегированной конструкционной стали в состоянии поставки (ГОСТ 5058)
|
Марки стали |
Механические свойства при растяжении, не менее | ||
|
Временное сопротивление, МПа |
Предел текучести, МПа |
Относительное удлинение, % | |
|
Стальдля металлоконструкций | |||
|
14Г |
460 |
290 |
21 |
|
19Г |
480 |
320 |
22 |
|
09Г2 |
450 |
310 |
21 |
|
14Г2 |
470 |
340 |
21 |
|
18Г2 |
520 |
360 |
21 |
|
12ГС |
470 |
320 |
26 |
|
16ГС |
460 - 500 |
280-330 |
21 |
|
17ГС |
520 |
350 |
23 |
|
09Г2С |
440 -500 |
270 -350 |
21 |
|
10Г2С1 |
460 - 520 |
320 -380 |
21 |
|
15ГФ |
480 - 520 |
340 -380 |
21 |
|
14ХГС |
500 |
350 |
22 |
|
15ХСНД |
500 |
350 |
21 |
|
10ХСНД |
540 |
400 |
19 |
|
Сталь для армирования железобетонных конструкций | |||
|
35ГС |
600 |
400 |
14 |
|
18Г2С |
500 - 600 |
300 -400 |
14 |
|
25Г2С |
600 |
400 |
14 |
|
20ХГ2Ц |
900 |
600 |
6 |
Обычно эти стали содержат 0,2% углерода и легируются микродобавкам Al, Cr, Zr, V, Ti, Nb, Mo, В. Они обеспечивают получение высоких значений прочности. Так, сталь 14Г2АФ имеет 02 > 400 МПа и в > 550 МПа, а сталь 12ГНЗМФА 02600МПа и в 700 МПа. При малом содержании углерода эти стали обладают удовлетворительной свариваемостью.
В судостроении широко применяется ряд марок конструкционных высокопрочных сталей типа АБ, АБ1, АБ2.
Ферритоперлитная сталь АБ с пределом текучести 390 МПа и более достигается за счет закалки и высокого отпуска.
Хромоникельмолибденовая сталь марок АБ1 и АБ2 с максимальными значениями предела текучести соответственно 500 и 588 МПа легирована Cr, Mo, V, Al, Са. После закалки и высокого отпуска в этих сталях формируется мелкодисперсная ферритная структура с карбидной фазой. С учетом обеспечения требований свариваемости содержание углерода в сталях типа АБ составляет 0,08 - 0,1%. Для обеспечения чистоты этих сталей по содержанию сульфидных и окисных неметаллических включений содержание серы и фосфора в них ограничено соответственно 0,01 и 0,02%.
При сварке этих сталей пластическая деформация, возникающая при остывании шва, способствует повышению его предела текучести. Обычно обеспечение равнопрочности сварных соединений при сварке таких сталей затруднений не вызывает. Сварка на форсированных режимах, повышенной толщине металла однопроходным швом, низкая температура окружающего воздуха — все это может привести к появлению закалочных структур на участке перегрева, полной и неполной перекристаллизации металла ЗТВ.
Низколегированные стали иногда поставляются в термообработанном состоянии (закалка для повышения прочностных свойств). При сварке таких сталей на участке рекристаллизации под действием высокого отпуска происходит разупрочнение металла. Для преодоления этого применяют технологические приемы. Так, термоупрочняемые стали рекомендуется сваривать длинными участками, а термически не упрочненные (отожженные), наоборот, короткими (во избежание закалки в ЗТВ).
Среднелегированные стали разделяются на группы, которые имеют названия по основному легирующему элементу, так, например, хромистая, марганцовистая, хромомарганцовистая, хромокремнистовая, никелемолибденовая и другие. Содержание легирующих элементов в таких сталях составляет следующие величины:
Углерод – 0,12 – 0,55%.
Кремний – 0,17 – 1,60%.
Марганец – 0,20 – 1,90%.
Хром – 0,25 – 2,00%.
Никель – 0,30 – 4,40%.
Молибден – 0,15 – 0,55%.
Вольфрам – 0,20 – 1,6 %.
Бор – 0,002 – 0,005 %.
Алюминий – 0,50 – 1,10 %.
Титан – 0,006 – 0,12%.
Ванадий – 0,1 – 0,2 %.
В готовом прокате при условии обеспечения механических свойств стали допускаются отклонения по химическому составу, например:
Углерод ± 0,020
Кремний ± 0,050
Марганец ± 0,100
Хром ± 0,050
Никель ± 0,050
Медь ± 0,050
Сера + 0,005
Фосфор + 0,005
Ванадий + 0,02 - 0,01
Цирконий + 0,01 - 0,02
В обозначении марок стали двузначные цифры слева указывают (приблизительно) содержание углерода в сотых долях процента. Буквы справа от цифр обозначают:
А – азот (не в начале и не в конце маркировки).
Б – ниобий,
В – вольфрам,
Г - марганец,
Д - медь,
К – кобальт,
М – молибден,
Н - никель,
П – фосфор,
Р – бор,
С - кремний,
Т – титан,
Ф - ванадий.
X- хром,
Ц - цирконий,
Ч – редкоземельные металлы,
Ю – алюминий.
Буква А в конце маркировки означает, что сталь имеет низкое содержание серы и фосфора и по химическому составу является высококачественной сталью.
Цифры после букв указывают (приблизительно) процентное содержание соответствующего элемента в целых единицах.
Среднелегированные стали применяются в самых различных отраслях промышленности и народного хозяйства для изготовления сварных изделий и конструкций, работающих в различных условиях - при воздействии статических, циклических, ударных и других видах нагружения; при различных температурах (-100 +540°С) и пр.
Классификация углеродистых среднелегированных сталей возможна по различным признакам использования сварных конструкций и изделий. Однако с точки зрения сварки наиболее рациональна классификация рассматриваемых сталей по температуре эксплуатации с учетом условий внешних силовых воздействий и температуры, при которой должна выполняться сварка. Последнее обстоятельство приобретает особое значение в связи с большим объемом строительства и эксплуатации различных конструкций в географических районах с низкой температурой воздуха в течение значительной части года.
По температурным условиям эксплуатации сварных конструкций и изделий углеродистые среднелегированные стали можно разбить на три группы: общего назначения, хладостойкие и теплоустойчивые.
Хладостойкие среднелегированные стали предназначены для работы при температурах до минус 196°С. В зависимости от состава и степени легирования нижний предел рабочей температуры может составлять -100, -120, -160 и -196°С. Для этих температурных условий работы применяются никельсодержащие стали с 3 – 9 % Ni и низким содержанием углерода или аустенитные хромоникелевые стали. Для умеренно низких температур могут применятся стали с низким содержанием никеля до 1,5% и даже безникелевых при низким содержанием углерода.
Присутствие никеля создает в сталях сложные фазовые и структурные состояния. Благодаря этому точка А3 с повышением содержания никеля значительно понижается. Кроме того, никель сильно снижает критическую скорость охлаждения при закалке.
Теплоустойчивые среднелегированные, хромомолибденовые и хромомолибденованадиевые стали способны сохранять механические свойства в условиях эксплуатации при повышенных температурах (550 - 570°С). Теплоустойчивость этих сталей обусловлена тем, что легирование хромом и молибденом производится в количествах выше критического отношения содержания этих элементов к содержанию углерода. Так, как эти стали низкоуглеродистые, это приводит к тому, что значительная доля хрома и молибдена находится в твердом растворе. Такое легирование вызывает упрочнение и затрудняет процессы диффузии и самодиффузии при повышенных температурах, что определяет устойчивость свойств при нагреве и при повышенных рабочих температурах до 570°С. В табл. 3.7 приведены примеры использования среднелегированных сталей и их свариваемость.
Таблица 3.7. Применение конструкционной легированной стали
|
Марка стали |
Применение |
Сваривае-мость |
|
15Х |
Цементуемая сталь. Пальцы поршневые, валы распределительные двигателей, толкатели, клапаны, крестовины карданов, разные мелкие детали, работающие в условиях износа при трении. |
хорошая |
|
20Х |
Шестерни коробки передач, кулачковые муфты, втулки, направляющие планки; шпиндели, работающие в подшипниках скольжения, плунжеры, оправки, копиры, шлицевые валики. |
Удовлетвори-тельная |
|
40Х |
Детали, работающие на средних скоростях и средних удельных давлениях: шестерни, шпиндели и валы в подшипниках качения, червячные валы, шлицевые валы. Детали, работающие при средних окружных скоростях и высоких удельных давлениях при небольших ударных нагрузках: шестерни, шпиндели, втулки, кольца, рейки, роторы гидронасосов. |
плохая |
|
45Х, 50Х |
Обладают высокой прочностью. Крупные детали, работающие при средних скоростях и удельных давлениях: шестерни, шпиндели и валы, работающие в подшипниках качения, червячные валы, шлицевые валы. |
плохая |
|
38ХА |
Обладает высокой прочностью и вязкостью. Шестерни, работающие при средних скоростях и удельных давлениях (при повышенной прочности с предварительным улучшением). |
плохая |
|
45Г2, 50Г2 |
Крупные малонагруженные детали: шпиндели, валы, шестерни, детали тяжелых станков. |
плохая |
|
18ХГТ |
Детали, работающие при больших скоростях, средних и высоких давлениях с ударными нагрузками: шестерни, шпиндели, работающие в подшипниках скольжения, червяки, кулачковые муфты, втулки. |
Удовлетвори-тельная |
|
20ХГР, 12ХН2 |
Тяжело нагруженные детали, работающие при больших скоростях и ударных нагрузках: шестерни, гильзы, червяки, кулачковые муфты, шпиндели (сталь 12ХН2 применяется только после цементации). |
хорошая |
|
40ХГР |
Крупногабаритные детали, шпиндели, валы, оси, цилиндры низкого давления и др. детали моторостроения. Рекомендуется взамен сталей марок 40ХН, 40ХНМ, ЗОХНЗ. |
не сваривается |
|
20ХФ |
Для некрупных деталей (из-за небольшой прокаливаемости), подвергаемых цементации и закалке с низким отпуском (шестерни, поршневые пальцы, распределительные валики). Иногда сталь 20ХФ применяется в качестве улучшаемой. |
не сваривается |
|
40ХС |
Обладает высокой прочностью, но умеренной вязкостью. В связи с небольшой прокаливаемостью применяется для небольших деталей. |
плохая |
|
40ХФА |
Высокопрочная сталь, применяемая после закалки и отпуска для ответственных деталей. |
плохая |
|
30ХГС |
Детали средних размеров, мелкие детали сложной конфигурации, работающие в условиях износа (рычаги, толкатели); для ответственных сварных конструкций, работающих при знакопеременных нагрузках. |
хорошая |
|
35ХМ |
Валы, детали турбин и крепеж при повышенной температуре. |
ограниченная |
|
45ХН, 50ХН |
Применяется для той же группы деталей, что и сталь 40Х, но больших сечений. |
плохая |
Для высоколегированных хромистых сталейхром является основным легирующим элементом. Это обеспечивает получение коррозионностойких, жаропрочных и жаростойких сталей.
В коррозионно- и кислотостойких сталях хром играет двоякую роль. При содержании более 12% Сг электрохимический потенциал стали резко повышается в положительную сторону. Сталь становится более устойчивой в растворах электролитов. В то же время хром способствует образованию на поверхности металла плотной и достаточно прочной окисной пленки, защищающей металл от воздействия коррозионно-активной среды. Эта же стойкая окисная пленка хрома защищает сталь от окисления при высоких температурах - повышает ее жаростойкость. Таким образом, высокохромистые стали оказываются стойкими против химической и электрохимической коррозии в окислительных средах.
Наряду с высокой коррозионной стойкостью стали, содержащие около 12% Сг, имеют высокую прочность и жаропрочность, значительно выше, чем у низко- и среднелегированных хромистых и хромомолибденовых сталей.
В связи с указанным сочетанием свойств высокохромистые стали находят широкое применение в различных областях промышленности. При высоких механических и антикоррозионных свойствах высокохромистые стали имеют пониженные технологические свойства, в том числе пониженную свариваемость. Это связано с особенностями фазового состояния высокохромистых сталей и особенностями структурных и фазовых превращений происходящих при нагреве и охлаждении.
Трудности сварки высокохромистых сталей связаны с их свойствами и особенностями процессов, протекающих при нагреве и охлаждении, их фазовым и структурным состоянием.
Высокохромистые стали, как и другие высоколегированные, имеют значительно более низкую теплопроводность, чем углеродистые и низколегированные. Это приводит к возникновению в зоне сварки более высокого градиента температур и вследствие этого повышенного уровня временных и остаточных сварочных напряжений.
Стали, содержащие около 12 – 14% Сг, являются мартенситными. Мартенситное превращение в этих сталях имеет две особенности,отрицательно влияющие на образование холодных трещин при сварке. При охлаждении сталей с температур нагрева полностью или даже частично до аустенитного состояния мартенситный распад происходит в широком интервале скоростей охлаждения, что обусловливает обязательное образование в ЗТВ полностью мартенситной структуры, иногда даже с некоторым количеством аустенита (повышенное содержание углерода, легирование никелем) или феррита (стали с низким содержанием углерода, легированные ферритообразующими элементами).
Другая особенность мартенситного превращения, обусловливающая повышенную склонность к образованию холодных трещин в ЗТВ, состоит в том, что мартенситный распад происходит при пониженных температурах (150°С), исключающих протекание процессов самоотпуска. Образующийся в этих условиях мартенсит имеет повышенный уровень микронапряжений, повышенную плотность дислокаций и поэтому имеет повышенную хрупкость.
Еще одна особенность сталей мартенситного класса осложняет технологические условия сварки. В связи с тем, что мартенситные и в том числе жаропрочные высокохромистые стали являются термически улучшаемыми и используются после закалки и высокого отпуска, участки ЗТВ, нагревавшиеся при сварке до температуры, близкой к A1, разупрочняются. Такое разупрочнение не может быть ликвидировано последующей после сварки простой термообработкой (отпуском) и требует сложной, двойной, термообработки (нормализации с отпуском). Однако не во всех случаях такое разупрочнение оказывается недопустимым. При определенных размерах оно может не сказаться на прочности сварного соединения в связи с эффектом контактного упрочнения.
Высоколегированные хромоникелевые стали это сплавы на основе железа с высоким содержанием хрома и никеля. Они относятся к особой группе сталей с комплексом свойств, принципиально отличающихся от свойств обычных углеродистых низко- и среднелегированных сталей. Никель, существенно стабилизирующий -фазу, расширяет температурную и концентрационную область ее существования, снижает критическую скорость охлаждения при закалке. При легировании стали одновременно большим количеством никеля (более 8%) и хрома (более 18 %) критическая скорость охлаждения снижается настолько, что сталь даже при очень медленном охлаждении сохраняет переохлажденный аустенит.
Однако в реальных высоколегированных хромоникелевых сталях, содержащих углерод и другие элементы, фазовое состояние как при нагреве, так и после охлаждения может быть более сложным. При этом во всех случаях основой обеспечения свойств является наличие полностью или преимущественно аустенитного состояния сплава в условиях эксплуатации.
Первоначально высоколегированные хромоникелевые стали появились как нержавеющие, кислотостойкие, когда было установлено, что легирование стали свыше 6% Ni резко облагораживает электрохимический потенциал, а одновременное присутствие свыше 12% Сг способствует проявлению защитных свойств окисной пленки, образующейся на поверхности металла, хром оказывает также определенное положительное влияние и на сдвиг в положительную сторону электрохимического потенциала стали. Так возникла широко известная классическая коррозионностойкая сталь 18-8, содержащая 18% Сг и 8% Ni.
В дальнейшем на основе изучения связи строения и фазового состояния подобных сталей со свойствами появились другие высоколегированные хромоникелевые стали с более высокой коррозионной стойкостью в особо химически активных средах. Подобные высоколегированные стали с аустенитной основой имеют высокие жаропрочность и хладостойкость. Отдельное местозанимают высоколегированные хромоникелевые высокопрочные стали. Хромоникелевые стали широко применяют в сварных конструкциях и изделиях в разных отраслях промышленности. Свойства таких сталей, их коррозионная стойкость, жаропрочность, хладостойкость, свариваемость, технологичность при деформации и резании зависит от химического состава сталей, их фазового и структурного состояния.
Несмотря на сложный химический состав, высокое содержание легирующих элементов и в некоторых случаях сложность фазовых и структурных изменений, хромоникелевые высоколегированные стали различного назначения можно отнести к удовлетворительно, а иногда и хорошо свариваемым. Однако сварка этих сталей и обеспечение требуемых свойств сварных соединений требуют принятия специальных мер.
Сложность сварки хромоникелевых высоколегированных сталей во многом определяется их структурным классом и состоянием, фазовыми превращениями, которые могут протекать при сварочном нагреве и охлаждении, и специфическими требованиями к свойствам, которыми должны обладать сварные соединения жаропрочных, хладостойких, кислостойких и высокопрочных сталей.
Основные трудности сварки связаны:
со склонностью к образованию горячих трещин в швах и околошовных зонах (аустенитные стали);
со склонностью к образованию холодных трещин в ЗТВ (мартенситные и аустенитно-мартенситные стали);
с появлением после сварочного нагрева в высокотемпературной зоне -феррита, с выделением карбидов из аустенита в определенных участках ЗТВ и ухудшении в этих местах стойкости против МКК и других свойств.
Определенные осложнения вносит повышенное, по сравнению с железом, сродство хрома к кислороду и вследствие этого повышенная его окисляемость и возможная в связи с этим загрязненность металла шва. В аустените с высоким содержанием никеля растворимость водорода повышена, и это может стать причиной повышенной пористости. Эти особенности процессов и явлений, характерных для высоколегированных хромоникелевых сталей, необходимо учитывать при их сварке.
В табл. 3.8 – 3.10 приведены примеры использования высоколегированных сталей.
Из рассмотренных типов сталей следует, что не все они могут быть применены в сварных конструкциях. К таким сталям относятся - стали с высоким содержанием углерода. Для углеродистой стали содержание углерода более 0,35% становится ограниченной, а при 0,5 – 0,6% С свариваемость плохая. Это в первую очередь связано с известными в металловедении особенностями распада аустенита и образования более мелкой структуры обогащенной углеродом при скорости охлаждения в условиях образования сварного шва. Такие структуры обладают низкой пластичностью, высокой твердостью в результате закалки металла шва и З.Т.В.
Для сталей среднелегированных и высоколегированных на ограничение свариваемости стали, кроме углерода оказывают влияние другие легирующие элементы. Для оценки возможности сварки используют величину эквивалентного содержания углерода. Одной из наиболее распространенных формул расчета эквивалентного содержания углерода является:
причем содержание меди учитывается при ≥0,5%, а фосфора при ≥0,05%.
В случае , если Сэ0,45 – 0,55 для получения хорошего сварного соединения на практике применяют подогрев.
Таблица 3.8. Применение высоколегированных, коррозионностойких сталей (ГОСТ 5632).
|
Марки стали |
Применение |
|
2X13, 1X13, ОХ13 |
Детали с повышенной пластичностью, подвергающиеся ударным нагрузкам (клапаны гидравлических прессов, предметы домашнего обихода). |
|
3X13, 4X13 |
Режущий, мерительный и хирургический инструмент, пружины, карбюраторные иглы, предметы домашнего обихода. |
|
1Х13НЗ |
Тяжелонагруженные детали, работающие в условиях пресной и морской воды и их паров. |
|
1Х17Н2 |
Применяется как высокопрочная сталь с достаточно удовлетворительными технологическими свойствами в химической, авиационной и в других отраслях промышленности. |
|
9X18 |
Шарикоподшипники высокой твердости для нефтяного оборудования, ножи высшего качества, втулки и другие детали, подвергающиеся сильному износу и действию агрессивных сред. |
|
Х14 |
Обрабатываемые на автоматах детали, которые должны иметь гладкую поверхность и обладать повышенной стойкостью против истирания (винты, гайки, зубчатки, шестерни и другие детали с резьбой). |
|
Х17 |
Оборудование азотнокислых заводов (абсорбционные башни, теплообменники для горячих нитрозных газов, горячей азотной кислоты, баки для кислот, трубопроводы), предметы домашнего обихода, оборудование заводов пищевой промышленности. Сталь для изготовления сварных конструкций не рекомендуется. |
|
Х25Т, Х28, Х28АН |
Рекомендуется в качестве заменителя стали марки Х18Н10Т для сварных конструкций. Аппаратура для растворов гипохлорита натрия, дымящейся азотной или фосфорной кислоты различных концентраций. Трубы для теплообменных аппаратов, работающих в агрессивных средах. |
|
Х15Н9Ю, ОХ17Н7Ю |
Рекомендуется как высокопрочная сталь для изделий, работающих в атмосферных условиях. |
|
ОХ17Т |
Рекомендуется в качестве заменителя стали Х18Н10Т для изготовления сварных конструкций. |
|
ОХ10Н20Т2 |
Рекомендуется как немагнитная сталь для производства крупногабаритных деталей, работающих морской воде. |
|
Х17Н13М2Т, Х17Н13МЗТ, ОХ21Н6М2Т, ОХ17Н16МЗТ |
Рекомендуется для изготовления конструкций, работающих в условиях действия кипящей фосфорной, муравьиной, молочной, уксусной кислот и других сред повышенной агрессивности |
|
Х18Н9, 2X18Н9, Х18Н10Е, Х17АГ14, Х17Г9АН4, Х14Г14Н |
Преимущественное применение в виде холоднокатаного листа и ленты повышенной прочности для различных деталей и конструкций, свариваемых точечной сваркой. |
|
ОХ18Н10Т, ООХ18Н10, ОХ18Н12Т, Х18Н12Т, 1Х21Н5Т |
Рекомендуется для изготовления сварных изделий, работающих в средах высокой агрессивности при t ≤40°С. |
|
ОХ23Н28М2Т |
Рекомендуется для изготовления сварных конструкций и узлов, работающих в условиях действия горячей фосфорной кислоты с примесью фтористых соединений и серной кислоты низких концентраций (20%) и температур не выше 60°С. |
|
ОХ23Н28МЗДЗТ |
Сварные конструкции, стойкие к действию серной кислоты различных концентраций при высоких температурах (не выше 80°С), а также к действию крем-нефтористо, водородной кислоты и других фтористых соединений (оросительные и спиральные холодильники, теплообменники). |
Таблица 3.9. Применение высоколегированных, жаростойких сталей (ГОСТ 5632).
|
Марки стали |
Применение |
|
4Х9С2, 1Х12СЮ, 4Х10С2М, ЗХ13Н7С2 |
Клапаны автомобильных, тракторных и дизельных моторов, трубки рекуператоров, теплообменники, колосники, различные детали. |
|
Х6СЮ |
Детали котельных установок, трубы. |
|
1X13 |
Детали турбин, трубы, детали котлов. |
|
Х17, ОХ17Т |
Теплообменники, оборудование кухонь, трубы и пр. |
|
Х18СЮ, Х28 |
Трубы пиролизных установок, аппаратура, детали. |
|
Х25Т |
Аппаратура, детали, чехлы термопар, электроды искровых зажигателей свечей, трубы пиролизных установок, теплообменники. |
|
Х20Н14С2, 4Х18Н25С2 |
Печные конвейеры, ящики для цементации. |
|
ОХ18Н10, Х18Н9, ОХ18Н10Т, Х18Н10Т |
Муфели, реторты, патрубки и коллекторы выхлопных систем, электроды искровых зажигательных свечей, трубы, детали печной арматуры. |
|
Марки стали |
II. Примерное назначение жаростойких сталей и сплавов |
|
Х25Н16Г7АР |
Детали газопроводных систем, изготавливаемых из тонких листов, лент, сортового проката. |
|
Х25Н20С2 |
Подвески и опоры в котлах, трубы электролизных и пиролизных установок. |
|
1Х25Н25ТР, ХН38ВТ, ХН60Ю, ХН75МБТЮ, ХН78Т, ХН70Ю, ХН70 |
Детали газовых систем, аппаратура, сортовые детали, трубы. |
Таблица 3.10. Применение высоколегированных жаропрочных сталей и сплавов (ГОСТ 5632).
|
Марки стали или сплава |
Применение |
Температура работы °С |
|
Х5М, Х5ВФ |
Для корпусов и внутренних элементов аппаратов нефтеперерабатывающих заводов и крекинговых труб, детали насосов, задвижки, крепеж. |
550 - 600 |
|
Х6СМ |
Трубы, части насосов, задвижки, штоки. |
660 |
|
1Х8ВФ |
Трубы печей, аппаратов и коммуникаций нефтезаводов. |
500 |
|
4Х9С2, 4Х10С2М |
Клапаны моторов, крепеж. |
600 - 650 |
|
1Х12Н2ВМФ |
Диски компрессора, лопатки и другие нагруженные детали. |
600 |
|
2X13, 1X13 |
Лопатки паровых турбин, клапаны, болты и трубы. |
500 |
|
1Х11МФ |
Рабочие и направляющие лопатки паровых турбин. |
550 |
|
1Х12ВНМФ, 2Х12ВМБФР |
Роторы, диски, лопатки, болты.
|
550 - 600 |
|
4Х12Н8Г8МФБ |
Диски турбин. |
650 |
|
Х12Н20ТЗР |
Детали турбин (поковки, лист и т. д. ). |
700 |
|
Х12Н22ТЗМР |
Диски турбин. |
750 |
|
1Х14Н16Б, 1Х14Н16БР, 1Х14Н18В2Б, 1Х14Н18В2БР |
Трубы пароперегревателей и трубопроводы установок сверхвысокого давления, листовой прокат. |
650 - 700 |
|
1Х14Н18В2БР1 |
Роторы, диски и лопатки турбин. |
650 - 700 |
|
4Х14Н14В2М |
Клапаны моторов, поковки, детали трубопроводов. |
600 - 650 |
|
ОХ14Н28ВЗТЗЮР |
Диски турбин. |
750 |
|
1Х16Н13М2Б |
Поковки для дисков и роторов, лопатки, болты. |
600 |
|
Х16Н15МЗБ |
Трубы пароперегревателей и трубопроводов высокого давления. |
350 |
|
Х18Н10Т, Х18Н12Т |
Детали выхлопных систем, трубы, листовые и сортовые детали. |
600 |
|
ОХ23Н18 |
Трубы, арматура (при пониженных нагрузках). |
1000 |
|
Х23Н18 |
Детали установок в химической и нефтяной промышленности, газопроводы, камеры сгорания. |
1000 |
|
Х25Н16Г7АР, 1Х25Н25ТР |
Листовые и сортовые детали, работающие при умеренных напряжениях |
800 - 950 |
|
ХН35ВМТ, ХН35ВТ |
Лопатки турбин, крепежные детали |
650 - 700 |
|
ХН35ВТЮ, ХН70ВМЮТ, ХН80ТБЮ, ХН77ТЮР, ХН77ТЮ |
Диски и лопатки турбин |
700 - 750 |
|
ХН60Ю |
Листовые детали турбин, работающие при умеренных напряжениях. |
850 - 1100 |
|
ХН35ВТР |
Толстолистовые детали газовых турбин. |
750 |
|
ХН70ВМТЮ, ХН70МВТЮБ, ХН67ВМТЮ |
Лопатки турбин. |
800 - 850 |
|
ХН75МБТЮ, ХН60В |
Листовые детали турбин. |
800 - 950 |
|
ХН70Ю |
Листовые детали, газопроводы, работающие при умеренных напряжениях. |
850 - 1100 |